أول نظام من نوعه لتقسيم الماء إلى هيدروجين وأكسجين بمساعدة الطاقة الشمسية - في موقعين منفصلين

قام الباحثون في التخنيون بتطوير نموذج أولي مبتكر لنظام الإنتاج الفعال والآمن للهيدروجين باستخدام الطاقة الشمسية فقط. الدراسة التي نشرت في مجلة جول من مجموعة الخلية

قام الباحثون في التخنيون بتطوير نموذج أولي لنظام الإنتاج الفعال والآمن للهيدروجين باستخدام الطاقة الشمسية فقط. البحث، الذي نُشر في مجلة Joule from the Cell، قادته طالبة الدكتوراه أبيجيل لاندمان من برنامج الطاقة الكبرى، مع طالبة الماجستير روان حلافي من كلية علوم وهندسة المواد. تم إجراء البحث تحت إشراف مشترك للبروفيسور جيدي جيردر من كلية الهندسة الكيميائية والبروفيسور أفنير روتشيلد من كلية علوم وهندسة المواد، والبروفيسور أديليو مينديز والدكتورة باولا دياز من جامعة بورتو في البرتغال. هم شركاء فيه.

يحتوي النظام المبتكر على جهاز شمسي مكون من طبقتين (خلية ترادفية)، يتيح استخدامًا أكثر كفاءة لطيف الضوء: يتم امتصاص جزء من الإشعاع الشمسي بواسطة الطبقة العليا، المصنوعة من أكسيد الحديد شبه الشفاف؛ والإشعاع الذي لا تمتصه هذه الطبقة يمر عبرها ويتم امتصاصه فيما بعد بواسطة الخلية الكهروضوئية. تعمل الطبقتان معًا على تزويد النظام بالطاقة اللازمة لتكسير الماء.

من النظرية إلى التطبيق

يعد النظام المبتكر استمرارًا للاختراق النظري الذي حققه فريق أبحاث التخنيون، والذي تم تقديمه في مقال نشر في مجلة Nature Materials في مارس 2017. وفي نفس المقال، قدم الباحثون تغييرًا نموذجيًا في إنتاج الهيدروجين: بدلاً من خلية إنتاج واحدة حيث يتحلل الماء إلى هيدروجين وأكسجين، طور الباحثون نظامًا حيث يتم إنشاء الهيدروجين والأكسجين في خليتين مختلفتين تمامًا. وهذا التطور مهم جزئيا لأن خلط الأكسجين والهيدروجين يخلق تفاعلا متفجرا وخطيرا. قدم الباحثون إثبات الجدوى في نظام مختبري مدعوم بمصدر طاقة تقليدي.

الآن، في الدراسة الحالية المنشورة في مجلة جول، نفذ الباحثون النظرية في التطوير التطبيقي - نموذج أولي لنظام كهروكيميائي ضوئي ينتج الهيدروجين والأكسجين في خليتين منفصلتين باستخدام ضوء الشمس فقط. وكجزء من التجربة، تم إجراء حوالي 80 ساعة عمل (10 أيام من حوالي 8 ساعات)، مما أظهر فعالية النظام في ضوء الشمس الطبيعي. أجريت التجربة في كلية الهندسة الكيميائية في التخنيون.

خلفية للبحث

يعتبر الهيدروجين مادة مطلوبة للغاية في العديد من مجالات حياتنا. ويستخدم معظم الهيدروجين المنتج اليوم لإنتاج الأمونيا لإنتاج الأسمدة الضرورية للزراعة الحديثة. وبالإضافة إلى ذلك، يعد الهيدروجين أحد المنافسين الرئيسيين في مجال الوقود البديل، وخاصة في سياق دفع المركبات. في سياق النقل، يتمتع الهيدروجين بالعديد من المزايا مقارنة بالوقود المعدني:

- من الممكن استخراج المياه من الطاقات الخضراء مثل الطاقة الشمسية، وبالتالي تقليل الاعتماد على الوقود الأحفوري والاعتماد على الدول الغنية باحتياطيات النفط؛

- إنتاج الهيدروجين من الماء يسمح بتخزين الطاقات الخضراء التي لا تتوفر في جميع ساعات اليوم

- على عكس محركات الديزل والبنزين التي تنبعث منها الكثير من التلوث في الهواء، فإن المنتج الثانوي الوحيد لمحركات الهيدروجين هو الماء.

يتم اليوم إنتاج الهيدروجين في العالم، معظمه ككل، من الغاز الطبيعي، في عملية ينبعث منها ثاني أكسيد الكربون (CO2) المعروف أضراره البيئية. طريقة الإنتاج البديلة هي التحليل الكهربائي - تقسيم الماء (H2O) إلى هيدروجين (H2) وأكسجين (O2). تم تطوير عملية التحليل الكهربائي منذ أكثر من مائتي عام، في عام 1800، ولكن منذ ذلك الحين لم يتم تطوير العديد من تقنيات التحليل الكهربائي. وفي السنوات الأخيرة، ومع التحول الأساسي إلى الطاقات البديلة، أصبح من الواضح أن عمليات التحليل الكهربائي يجب أن تكون مثالية لتناسب مصادر الطاقة هذه.

وعلى هذه الخلفية، تم تطوير العملية الكهروكيميائية الضوئية، التي تقوم بتكسير الماء مباشرة عن طريق الإشعاع الشمسي. ولكن حتى هنا توجد تحديات تكنولوجية مختلفة. على سبيل المثال، إنتاج الهيدروجين بالطريقة المقبولة في التحليل الكهربائي - تحلل الماء إلى هيدروجين وأكسجين في نفس خلية الإنتاج - ينطوي على مخاطر لأن التقاء الهيدروجين والأكسجين يؤدي إلى انفجار. علاوة على ذلك، في الحقول الشمسية الشاسعة، من الصعب جدًا إنتاج الهيدروجين بهذا التكوين. ومن هنا تأتي أهمية الاختراق الحالي المقدم في الجول.

ويأمل الباحثون أن تستمر العوامل في الأوساط الأكاديمية والصناعة وتطور النظام إلى منتج تجاري.

تم دعم البحث من قبل برنامج نانسي وستيفن جراند التخنيون للطاقة (GTEP)، ومنحة إد ساتل، ومؤسسة أديليس، ووزارة الطاقة والمفوضية الأوروبية (منحتان من ERC) ومركز التميز PAT التابع لمؤسسة العلوم الوطنية.

للمقال في مجلة جول

فيديو شرح البحث والتعريف بالنظام الجديد