آلية أرخص وأسهل لإنتاج «الهيدروجين الأخضر»

باحثون نمساويون ابتكروا طريقة لتوظيف الضوء بدلاً من الكهرباء

يعتمد إنتاج «الهيدروجين الأخضر» صديق البيئة، وفق أفضل استراتيجية حتى الآن، على تقسيم الماء إلى هيدروجين وأكسجين باستخدام الكهرباء التي تأتي من مصادر الطاقة المتجددة، مثل الخلايا الكهروضوئية على سبيل المثال. ومع ذلك، سيكون من الأسهل كثيراً استخدام ضوء الشمس مباشرةً لتفكيك المياه، وهذا هو بالضبط ما تجعله المحفزات الجديدة ممكنا الآن، في عملية تسمى «فصل الماء التحفيزي الضوئي».
لم يتم استخدام هذا المفهوم صناعياً بعد، غير أن باحثين من جامعة فيينا للتكنولوجيا، اتخذوا خطوات مهمة في هذا الاتجاه، حيث توصلوا إلى آلية تم وصف تفاصيلها في 31 مايو (أيار) الماضي بدورية «إيه سي إس كاتليست».
يقول أليكسي شيريفان، من معهد كيمياء المواد في جامعة فيينا للتكنولوجيا والباحث الرئيسي بالدراسة، في تقرير نشره الموقع الإلكتروني للجامعة: «في الواقع، كي تتمكن من فصل الماء بواسطة الضوء، عليك حل مهمتين في نفس الوقت، فعلينا التفكير في الأكسجين والهيدروجين، حيث يجب تحويل ذرات الأكسجين في الماء إلى (الأكسجين الجزيئي)، وهو جزيء ثنائي الذرة يتكون من ذرتين من الأكسجين ملتصقتين بعضهما ببعض بواسطة رابطة تساهمية، ويجب تحويل أيونات الهيدروجين المتبقية، والتي هي مجرد بروتونات، إلى جزيئات هيدروجين».
وعثر الباحثون على حلول لكلتا المهمتين، وهذه الحلول هي مجموعات صغيرة غير عضوية تتكون من عدد صغير فقط من الذرات مثبتة على سطح من الهياكل الداعمة الممتصة للضوء مثل أكسيد التيتانيوم، ويؤدي الجمع بين هذه المجموعات ودعامات أشباه الموصلات المختارة بعناية إلى السلوك المطلوب.
وتتكون المجموعات المسؤولة عن أكسدة الأكسجين من الكوبالت والتنغستن والأكسجين، في حين أن مجموعات الكبريت والموليبدينوم مناسبة بشكل خاص لتكوين جزيئات الهيدروجين، وكان الباحثون في جامعة فيينا للتكنولوجيا أول من وضعوا هذه المجموعات على سطح مصنوع من أكسيد التيتانيوم، بحيث يمكن أن تعمل كمحفزات لتقسيم الماء.
يقول أليكسي شيريفان: «أكسيد التيتانيوم حساس للضوء، وكان هذا معروفاً بالفعل، وتؤدي طاقة الضوء الممتص إلى تكوين إلكترونات حرة الحركة وشحنات موجبة حرة الحركة في أكسيد التيتانيوم، ثم تسمح هذه الشحنات لمجموعات الذرات الموجودة على هذا السطح بتسهيل تقسيم الماء إلى أكسجين وهيدروجين». ويوضح أن مجموعات بحثية أخرى عملت على تفكيك الماء بالضوء، باستخدام الجسيمات النانوية التي يمكن أن تتخذ أشكالاً وخصائص سطحية مختلفة جداً، ومن الصعب التحكم في الأحجام، والذرات ليست مرتّبة تماماً بنفس الطريقة.
يضيف شيريفان: «طريقتنا هي الوحيدة للحصول على مشاهدات واضحة حول كفاءة العملية حقاً، بدلاً من الاعتماد على نهج التجربة والخطأ وتجربة الجسيمات النانوية المختلفة حتى نجد الأفضل».
ويؤكد أن «الميزة الحاسمة لطريقتنا هي بساطتها، فإنتاج الهيدروجين الكهربائي يحتاج أولاً إلى مصدر طاقة مستدام، مثل الخلايا الكهروضوئية، وربما جهاز تخزين الطاقة الكهربائية وخلية التحليل الكهربائي، وبشكل عام، ينتج عن هذا نظام معقد نسبياً يتكون من الكثير من المواد الخام، بينما طريقتنا للإنتاج بالتحفيز الضوئي لا تحتاج إلا إلى سطح مطليّ بشكل مناسب مغطى بالماء ويتم تشعيعه بالشمس».