استخدام أكثر كفاءة للطاقة الشمسية

دراسة دولية متكاملة أجراها باحثون من جامعة سانت لويس. تمكن أندروز (اسكتلندا)، من جامعة بوخوم وهيلمهولتز فورشونجزينتروم في برلين ومعهد KIT، من اكتشاف نتائج جديدة فيما يتعلق بالآليات الكامنة وراء الكيمياء الضوئية لثاني أكسيد التيتانيوم (TiO2).

يعد توليد فوائد مصادر الطاقة الجديدة والاستفادة منها اليوم أحد أكبر التحديات التي تواجه البشرية. وتلعب الطاقة الشمسية دورًا مركزيًا بين هذه المصادر، ويعد تحويل أشعة الضوء إلى طاقة كيميائية، على سبيل المثال إنتاج الهيدروجين من خلال تحلل الماء، إحدى طرقها المثيرة للاهتمام. تعتمد عملية التحويل الأكثر شيوعًا وكفاءة اليوم على التحفيز الضوئي باستخدام أكسيد التيتانيوم، لكنها ليست واضحة تمامًا في جميع تفاصيلها. والآن، وبفضل الأبحاث التي أجراها علماء من ألمانيا، تم تقديم نتائج مفصلة فيما يتعلق بالآليات الأساسية لهذه العملية.

على الرغم من أن إنتاج الهيدروجين من الماء وضوء الشمس باستخدام الأكاسيد قد تمت دراسته على نطاق واسع لعدة عقود، إلا أن الآليات الفيزيائية والكيميائية للعمليات المتضمنة فيه لا تزال غير قابلة للوصف بشكل كافٍ. دراسة دولية متكاملة أجراها باحثون من جامعة سانت لويس. تمكن أندروز (اسكتلندا)، من جامعة بوخوم وهيلمهولتز فورشونجزينتروم في برلين ومعهد KIT، من اكتشاف نتائج جديدة فيما يتعلق بالآليات الكامنة وراء الكيمياء الضوئية لثاني أكسيد التيتانيوم (TiO2).

ثاني أكسيد التيتانيوم، أو تيتانيا، هو مادة ضوئية موجودة في الطبيعة. عندما يتعرض مسحوق هذه المادة، والذي يستخدم أيضًا كمكون في الأصباغ والأصباغ وواقيات الشمس، للضوء، فإن الإلكترونات تخضع للإثارة وتكون قادرة، على سبيل المثال، على تقسيم جزيء الماء إلى مكوناته - الأكسجين والهيدروجين.
يعتبر الهيدروجين الذي يتم إنتاجه بهذه الطريقة مصدرًا "نظيفًا" للطاقة: ولا يتم إنشاء أي غازات دفيئة تضر بالمناخ، والمنتج الوحيد للاحتراق هو الماء. ويستخدم ثاني أكسيد التيتانيوم أيضًا في إنتاج الأسطح ذاتية التنظيف عن طريق إزالة الطبقات غير المرغوب فيها منها من خلال عملية كيميائية ضوئية تبدأ بضوء الشمس. في المستشفيات، يتم استخدام هذه القدرة لتطهير الأدوات الخاصة المغلفة بطبقة ثاني أكسيد التيتانيوم بعد تشعيع الضوء فوق البنفسجي.
حتى اليوم، لم يكن من الممكن تفسير الآليات الفيزيائية لهذه التفاعلات الكيميائية الضوئية من خلال أسطح التيتانيا. يبلغ حجم جزيئات المسحوق المستخدمة لبدء العمليات الكيميائية الضوئية بضعة نانومترات فقط، وبالتالي فهي صغيرة جدًا بحيث لا يمكن دراستها بالطرق القوية المعتادة للاختبار السطحي. ومن خلال استخدام مادة أحادية البلورة بحجم ملليمتر، تمكن الباحثون، لأول مرة على الإطلاق، من إجراء فحص دقيق للعمليات الكيميائية الضوئية التي تحدث على سطح ثاني أكسيد التيتانيوم باستخدام مطياف الأشعة تحت الحمراء المبتكر. بالإضافة إلى ذلك، وباستخدام طريقة تعتمد على الليزر، تمكن الباحثون أيضًا من تحديد عمر الإلكترونات المثارة بعد التشعيع داخل بلورات ثاني أكسيد التيتانيوم.
ووفقا للباحث الرئيسي (كريستوف وول)، فإن المعلومات الدقيقة المتعلقة بهذه العمليات لها أهمية كبيرة: "إن فترة الحياة القصيرة تعني أن الإلكترونات المثارة تعود إلى حالتها الأصلية مرارا وتكرارا: لقد تمكنا من تمييز نوع معين من الإلكترونات الداخلية القصيرة الدائرة الكهربائية. وفي حالة العمر الطويل، تظل الإلكترونات في الحالة المثارة لفترة كافية حتى تتمكن من الوصول إلى سطح البلورة وبدء العمليات الكيميائية المناسبة هناك." الشكل المعدني الطبيعي لثاني أكسيد التيتانيوم المعروف باسم Anatase (المصطلح في ويكيبيديا) مناسب بشكل خاص للغرض الثاني لأنه يتكون من هيكل إلكتروني خاص يمنع تكوين "دوائر كهربائية داخلية قصيرة".
المزيد من المعرفة حول هذه الخاصية ستسمح للباحثين بمواصلة تحسين شكل وحجم وخصائص جزيئات الأناز المستخدمة لبدء العمليات الكيميائية الضوئية. الهدف هو تطوير مواد فعالة ضوئيًا بكفاءة أعلى وعمر أطول.
ويشير المتحدث باسم معهد الأبحاث إلى أن النتائج التي توصل إليها فريق الباحثين الدولي لها أهمية كبيرة فيما يتعلق بإنتاج الطاقة الكيميائية والكهربائية من ضوء الشمس، وخاصة فيما يتعلق بتحسين العمليات الكيميائية الضوئية.

أخبار الدراسة