تطوير عمليات صديقة للبيئة للحصول على الهيدروجين.. محفزات جديدة لإنتاج الهيدروجين الشمسي

يعد العثور على وقود مستدام ونظيف أمرًا بالغ الأهمية في أزمة الطاقة والمناخ العالمية اليوم.

الهيدروجين هو أحد المرشحين الواعدين الذي يكتسب اهتمامًا متزايدًا، ولا يزال إنتاج الهيدروجين الصناعي اليوم له بصمة كبيرة من ثاني أكسيد الكربون، لا سيما بالنظر إلى عمليات مثل الإصلاح بالبخار أو التحليل الكهربائي غير المستدام.

لذلك يركز فريق بقيادة البروفيسور دومينيك إيدر من معهد كيمياء المواد (TU Wien) على تطوير عمليات صديقة للبيئة للحصول على الهيدروجين، على سبيل المثال عن طريق التحفيز الضوئي.

تتيح هذه العملية تحويل جزيئات الماء إلى هيدروجين بمساعدة الضوء والمحفز، من خلال هذه العملية، يمكن تخزين طاقة الشمس الوفيرة والنظيفة في الروابط الكيميائية لما يسمى بالوقود الشمسي.

نُشرت النتائج التي حصل عليها الفريق في مجلة Advanced Energy Materials .

محفزات ضوئية جديدة

عند إنتاج الهيدروجين الأخضر عن طريق التحفيز الضوئي، يلعب المحفز دورًا حاسمًا، على عكس المحفزات الصناعية، يستخدم المحفز الضوئي طاقة الضوء لتسهيل فصل الماء عند درجة حرارة الغرفة والضغوط المحيطة.

من بين أكثر المرشحين الواعدين لهذا المحفز الأطر المعدنية العضوية، والتي تسمى الأطر العضوية المعدنية، وهي تتكون من وحدات بناء جزيئية غير عضوية مرتبطة ببعضها البعض بواسطة جزيئات رابط عضوية.

معًا، يشكلون شبكات ثلاثية الأبعاد عالية المسامية ذات مساحة سطح كبيرة بشكل استثنائي وخصائص ممتازة لفصل الشحن.

فإن معظم الأطر العضوية المعدنية لا تنشط إلا تحت إشعاع الضوء فوق البنفسجي، ولهذا السبب يغير المجتمع المركبات العضوية لجعلها قادرة على امتصاص الضوء المرئي.

ومع ذلك، فإن هذه التعديلات لها تأثير سلبي على حركة الإلكترونات، يتعلق قيد آخر باستخراج الشحنة، حيث يتم إطلاق الإلكترونات من المادة.

يشرح إيدير قائلاً: “في حين أن الأطر العضوية المعدنية رائعة حقًا في فصل ناقلات الشحنة في الواجهات العضوية غير العضوية، فإن استخلاصها الفعال للاستخدام التحفيزي لا يزال يمثل تحديًا”.

في الآونة الأخيرة، حظيت الأطر العضوية المعدنية ذات الهياكل متعددة الطبقات باهتمام كبير لاستخدامها في التطبيقات الإلكترونية الضوئية، حيث إنها تعرض خصائص محسنة لاستخراج الشحنة بشكل كبير.

يوضح بابلو أيالا، المؤلف الرئيسي للدراسة، “يمكنك تصوير هذه الهياكل متعددة الطبقات مثل Manner Schnitte ، حيث يكون الوافل هو الجزء غير العضوي والشوكولاتة هي الرابطة العضوية التي تجمعهما معًا”، “تحتاج فقط إلى جعل جزء الوافل موصل.”

التحديات في تقسيم الماء

على عكس الأطر العضوية المعدنية ثلاثية الأبعاد ، فإن الأطر العضوية المعدنية ذات الطبقات عادة ما تكون غير مسامية، مما يقلل من المنطقة النشطة تحفيزيًا إلى السطح الخارجي للجسيمات.

يوضح إيدر: “لذلك، كان علينا إيجاد طريقة لجعل هذه الجسيمات صغيرة قدر الإمكان”، ومع ذلك، غالبًا ما تكون البنية النانوية للمواد مصحوبة بإدخال عيوب هيكلية، يمكن أن تعمل هذه بمثابة مصائد شحن وتبطئ استخراج الشحنات، “لا أحد يحب Manner Schnitte مع الشوكولاتة المفقودة،” يواصل أيالا مقارنته، “في حالة التحفيز الضوئي ، نحتاج أيضًا إلى أفضل مادة يمكن إنتاجها.”

وطور فريق إيدير طريقًا تخليقيًا جديدًا يمكن من خلاله إنتاج أصغر الهياكل البلورية خالية من العيوب، تم تحقيق ذلك بالتعاون مع الجامعات المحلية والعالمية.

تستند الأطر العضوية المعدنية الجديدة ذات الطبقات إلى التيتانيوم، ولها شكل مكعب لا يتجاوز حجمه بضعة نانومترات.

كانت المادة قادرة بالفعل على تحقيق قيم قياسية في إنتاج الهيدروجين التحفيزي الضوئي تحت تأثير الضوء المرئي.

بمساعدة عمليات المحاكاة الحاسوبية التي تم إجراؤها، تمكن الفريق من كشف آلية التفاعل الأساسية وإثبات شيئين: أولاً، أن الطبيعة متعددة الطبقات لـ MOF هي بالفعل مفتاح لفصل الشحنات واستخراجها بكفاءة.

ثانيًا ، تعمل عيوب الروابط المفقودة بمثابة مصائد شحن غير مرغوب فيها يجب تجنبها قدر الإمكان لتحسين أداء التحفيز الضوئي للمادة.

تقوم مجموعة البحث حاليًا بتصميم أطر عضوية جديدة ذات طبقات واستكشافها لتطبيقات الطاقة المختلفة