الهيدروجين من النفايات الشمسية.. ابتكار يحوّل الألواح المستهلكة إلى هيدروجين ومواد للبطاريات

كشف فريق بحثي من جامعة ألسان الوطنية للعلوم والتكنولوجيا (UNIST) عن تقنية مبتكرة لاستخراج الهيدروجين المخزن في الأمونيا (NH₃) باستخدام السيليكون (Si)، مع إنتاج هيدروجين نقي وثلاثي نيتريد السيليكون (Si₃N₄) في الوقت نفسه. تعد هذه العملية خطوة نحو تقليل تكاليف إنتاج الهيدروجين وتمكين إعادة تدوير السيليكون من الألواح الشمسية المستهلكة، ما يجعلها حلاً مستدامًا.

وقاد البروفيسور جونغ-بيوم بايك من كلية الطاقة والهندسة الكيميائية في UNIST الفريق البحثي الذي طور عملية الطحن الكروي لإنتاج هيدروجين نقي 100٪ مباشرة من الأمونيا عند درجات حرارة منخفضة.

ونشرت الدراسة بعنوان “إنتاج الهيدروجين النقي بدون فصل عبر التفاعل الميكانيكي بين الأمونيا والسيليكون تحت ظروف معتدلة” في عدد سبتمبر 2025 من مجلة الجمعية الكيميائية الأمريكية.

تُعد الأمونيا ناقل وقود نظيفًا واعدًا لاحتوائها على 17.6٪ وزن هيدروجين، وتوفر بنية تحتية متطورة للتخزين والنقل. ومع ذلك، تتطلب الطرق التقليدية لإطلاق الهيدروجين من الأمونيا درجات حرارة مرتفعة (400–600°C) وخطوات تنقية إضافية، مما يزيد من استهلاك الطاقة والتكاليف.

تعمل العملية الجديدة عند درجة حرارة منخفضة حوالي 50°C، ما يقلل بشكل كبير من احتياجات الطاقة. يتم وضع غاز الأمونيا ومسحوق السيليكون في وعاء محكم يُعرف بالطاحونة الكروية، مع وجود كرات سيراميكية أو فولاذية صغيرة، ويتم هزها بقوة. تؤدي الصدمات الميكانيكية والاحتكاك إلى تفعيل السيليكون وتفكيك الأمونيا بسرعة لإطلاق الهيدروجين، بينما يتفاعل النيتروجين الناتج مع السيليكون لتكوين Si₃N₄ يبقى ضمن النظام.

أظهرت التجارب تحلل الأمونيا بالكامل، وإنتاج الهيدروجين بمعدل 102.5 ملمول/ساعة، مع نقاء 100٪ خالٍ من الشوائب. عند استخدام السيليكون المستخرج من الألواح الشمسية المستهلكة، حققت العملية نفس الكفاءة العالية ونقاء الهيدروجين.

يعد Si₃N₄ الناتج مادة عالية القيمة يمكن استخدامها في البطاريات الثانوية. أظهرت بطاريات الليثيوم أيون التي تحتوي على نيتريد السيليكون المصنع قدرة 391.5 مللي أمبير/غ، مع الحفاظ على أكثر من 80٪ من سعتها بعد 1,000 دورة شحن وتفريغ، وكفاءة كولومبية 99.9٪.

تشير التحليلات الاقتصادية إلى أن تكلفة إنتاج الهيدروجين يمكن أن تكون سالبة (حوالي -7.14 دولار/كغ) عند احتساب الإيرادات من بيع Si₃N₄ المستخرج من الألواح الشمسية المستهلكة، ما يجعل العملية مجدية بيئيًا واقتصاديًا.
قال البروفيسور بايك: “يقدم هذا التطور حلاً لتحدي فصل وتنقية الهيدروجين في اقتصاد الأمونيا، باستخدام السيليكون المستعاد من الألواح الشمسية، تعمل العملية بكفاءة مشابهة لمسحوق السيليكون التجاري، ما يؤكد جدواها كتقنية إعادة تدوير مستدامة، وقد تلعب دورًا مهمًا في إدارة أكثر من 80 مليون طن من النفايات الفوتوفولتية المتوقعة بحلول 2050.”