الشمس والاستدامة والسيليكون.. جرعة مضاعفة من أبحاث الوقود الشمسي.. منتجات وقود بديلة لها فائدة إضافية

يجري السباق لتطوير جيل جديد من الوقود السائل الذي يتم تنشيطه بواسطة ضوء الشمس، ويساعد الباحثون في جامعة ييل في قيادة الطريق.

على مدار العقد الماضي، وصلت الأبحاث الأساسية التي تهدف إلى إنتاج وقود سائل مستدام يعمل بالطاقة الشمسية إلى مفترق طرق، يمكن للمواد شبه الموصلة الجديدة التقاط ضوء الشمس بشكل فعال وتحفيز تحويل ثاني أكسيد الكربون إلى منتجات ذات قيمة، مثل الوقود السائل، ومع ذلك، غالبًا ما يكون من الصعب إنشاء منتج واحد. يمكن للمحفزات الجزيئية أن تشكل منتجًا واحدًا من ثاني أكسيد الكربون (CO 2 ) ولكنها ليست مستقرة. وبالتالي، يقول العديد من العلماء أن أياً من هذه الأساليب غير مناسب للإنتاج على نطاق واسع.

لكن هناك منهجية ثالثة بدأت تظهر الآن،. يقوم الكيميائيون المشاركون في مركز الأساليب الهجين للطاقة الشمسية (CHASE) في جامعة ييل بدمج مواد شبه موصلة جديدة مع محفزات جزيئية جديدة في عمليات أكثر قوة وانسيابية قد تكون قابلة للتطوير للاستخدام على نطاق أوسع.

منتجات وقود بديلة لها فائدة إضافية

يقول الباحثون، إن هذا النهج الجديد الواعد، والذي تم وصفه في دراستين حديثتين، يمثل نهج “الأفضل في كلا العالمين”، والذي يمكن أن يؤدي إلى تغيير قواعد اللعبة، ومنتجات وقود بديلة لها فائدة إضافية تتمثل في إزالة ثاني أكسيد الكربون من الهواء.

قالت إليانور ستيوارت جونز، طالبة دراسات عليا في قسم الكيمياء بجامعة ييل والمؤلفة الأولى المشاركة في إحدى الدراسات: “تمنحني هاتان الورقتان الكثير من الأمل في إمكانية نجاح النهج المختلط”، “نحن بالتأكيد نجد طرقًا جديدة لتحسين أو تعزيز التفاعل.”

هناك ما يقرب من اثني عشر من أعضاء هيئة التدريس وطلاب الدراسات العليا في جامعة ييل هم جزء من تشيس، وهو مركز أبحاث الطاقة الشمسية الممول اتحاديًا والذي يتألف من ست مؤسسات بحثية أمريكية ومقره في جامعة نورث كارولينا-تشابل هيل، تتمثل مهمة CHASE في تسريع الأبحاث التي قد تؤدي إلى إنتاج الوقود السائل من ضوء الشمس والماء والنيتروجين وثاني أكسيد الكربون.

تضم فرقة ييل نيلاي هازاري، أستاذ الكيمياء جون راندولف هوفمان؛ وجيمس ماير، أستاذ الكيمياء في شارلوت فيتش روبرتس؛ وهيليانج وانج، أستاذ الكيمياء، وجميعهم من كلية الآداب والعلوم.

وقال وانج: “لقد كان من الملهم أن نرى التفاني الذي يبذله طلابنا وباحثو ما بعد الدكتوراه وزملائنا في المؤسسات الشريكة في هذا العمل”، “كل اكتشاف جديد يجعلنا أقرب إلى تطوير التكنولوجيا اللازمة للوقود الشمسي العملي”.

براعة ييل البحثية هي في مقدمة ومركز دراستي تشيس الجديدتين، وكلاهما منشور في مجلة الجمعية الكيميائية الأمريكية، يركزون على الأقطاب الكهربائية الضوئية القائمة على السيليكون، وهي المكونات الموجودة في البطاريات الشمسية التي تسحب ضوء الشمس وتحوله إلى طاقة كهربائية.

في الدراسة الأولى، التي أجراها مختبر وانج في جامعة ييل ومختبر تيانكوان ليان في جامعة إيموري، قام الباحثون ببناء قطب كهربائي يتكون من مجموعة من أعمدة السيليكون الدقيقة، المغلفة بطبقة من الكربون المفلور الكاره للماء للغاية.

عززت هذه الإستراتيجية إجمالي مساحة سطح القطب وأدت إلى زيادة كبيرة في النشاط التحفيزي.

وقال بو شانج، وهو طالب دراسات عليا في الكيمياء بجامعة ييل والمؤلف الأول المشارك للدراسة: “لقد شهدنا زيادة ملحوظة، تصل إلى 17 مرة أكثر من الرقم القياسي السابق لأقطاب السيليكون الضوئية”.

المرة الأولى يربط محفزًا جزيئيًا بالسيليكون المسامي

وقد أسفر هذا النهج عن التحويل التحفيزي الكهروضوئي لثاني أكسيد الكربون لضوء الشمس إلى ميثانول، والذي يعتمد على السيليكون، وهو الأكثر كفاءة على الإطلاق. الميثانول هو وقود سائل بديل عديم اللون.

بالنسبة للدراسة الثانية، تعاونت مختبرات ماير وهازاري في جامعة ييل على عملية تتضمن رقائق رقيقة من السيليكون المسامي، وهو شكل من أشكال السيليكون المحفور بقنوات تسمى المسام النانوية، قام الباحثون بتوصيل محفز الرينيوم الجزيئي إلى رقائق الإلكترود هذه.

وقال ستيوارت جونز، طالب دراسات عليا في مختبر ماير والمؤلف الأول المشارك للدراسة: “على حد علمنا، هذه هي المرة الأولى التي يربط فيها أي شخص محفزًا جزيئيًا بالسيليكون المسامي”.

يؤدي التفاعل الكيميائي الناتج، والذي يثار بضوء الشمس، إلى تحويل ثاني أكسيد الكربون إلى أول أكسيد الكربون بطريقة أكثر اتساقًا وقابلية للتكرار مقارنة بما يحدث عندما يتم إقران المحفزات الجزيئية بالسيليكون المسطح غير المسامي.

وقال شياوفان جيا، باحث ما بعد الدكتوراه في مختبر هازاري والمؤلف الأول المشارك الآخر للدراسة: “لقد نجحنا في تثبيت محفز اختزال ثاني أكسيد الكربون الجزيئي الفعال على مادة سيليكون ممتصة لأشعة الشمس”، “وهذا يمكّن الجهاز من الاستفادة مباشرة من الطاقة من ضوء الشمس لإنتاج الوقود”.

وقال وانج إن الدراستين مجتمعتين تسلطان الضوء على التنوع والإبداع في مشروع تشيس، مضيفا “يعمل هذان العملان على تطوير أقطاب كهربائية ضوئية لاختزال ثاني أكسيد الكربون باستخدام السيليكون ومحفز جزيئي، لكنهما يتبعان نهجين مختلفين تمامًا”.