بدائل صديقة للبيئة أكثر للوقود الأحفوري.. إنتاج الهيدروجين من الماء والضوء

منذ خمسين عامًا، أوضح العلماء لأول مرة أنه يمكن تقسيم الماء السائل إلى أكسجين وغاز الهيدروجين باستخدام الكهرباء المنتجة عن طريق إضاءة قطب أشباه الموصلات، على الرغم من أن الهيدروجين المولّد باستخدام الطاقة الشمسية هو شكل واعد من أشكال الطاقة النظيفة، إلا أن الكفاءات المنخفضة والتكاليف المرتفعة أعاقت إدخال محطات الهيدروجين التجارية التي تعمل بالطاقة الشمسية.

قام باحثون بتصميم أسلاك نانوية من السيليكون يمكنها تحويل ضوء الشمس إلى كهرباء عن طريق تقسيم الماء إلى أكسجين وغاز الهيدروجين، وهو بديل أكثر صداقة للبيئة للوقود الأحفوري.

يشير تحليل الجدوى الاقتصادية إلى أن استخدام ملاط من الأقطاب الكهربائية المصنوعة من الجسيمات النانوية بدلاً من تصميم الألواح الشمسية الصلبة يمكن أن يخفض التكاليف بشكل كبير، مما يجعل الهيدروجين المنتج بالطاقة الشمسية منافسًا للوقود الأحفوري، فإن معظم المحفزات القائمة على الجسيمات الحالية التي تنشط بالضوء، والتي يشار إليها أيضًا باسم المحفزات الضوئية، يمكنها امتصاص الأشعة فوق البنفسجية فقط، مما يحد من كفاءتها في تحويل الطاقة تحت الإضاءة الشمسية.

البحث الذي جرى في كلية الآداب والعلوم جامعة نورث كارولينا في قسم الكيمياء في تشابل هيل، يعمل الباحثون على التوليف الكيميائي للمواد النانوية شبه الموصلة ذات الخصائص الفيزيائية الفريدة التي يمكن أن تتيح مجموعة من التقنيات، من الخلايا الشمسية إلى ذاكرة الحالة الصلبة.

ويتولي د.جيمس كاهون، أستاذ الكيمياء بمؤسسة Hyde Family Foundation ، كمؤلف مطابق للنتائج المنشورة في مجلة Nature، حيث صمم فريقه أسلاكًا نانوية جديدة تحتوي على خلايا شمسية متعددة على طول محورها حتى يتمكنوا من إنتاج الطاقة اللازمة لتقسيم المياه.

تصميم غير مسبوق

أوضح تايلور تيتسورث، باحث في مختبر كاهون: “هذا التصميم غير مسبوق في تصميمات المفاعلات السابقة ويسمح باستخدام السيليكون لأول مرة في PSR، حيث يمتص السيليكون كلاً من الضوء المرئي والأشعة تحت الحمراء، كان تاريخياً الخيار الأفضل للخلايا الشمسية، والتي يشار إليها أيضًا باسم الخلايا الكهروضوئية وأشباه الموصلات، بسبب هذه الخصائص وغيرها – بما في ذلك وفرتها وانخفاض سميتها واستقرارها، بخصائصه الإلكترونية، فإن الطريقة الوحيدة لدفع تقسيم الماء لاسلكيًا بجزيئات السيليكون هي تشفير خلايا كهروضوئية متعددة في كل جسيم، يمكن تحقيق ذلك عن طريق توليد جسيمات تحتوي على واجهات متعددة ، تسمى الوصلات، بين شكلين مختلفين من السيليكون – النوع p وأشباه الموصلات من النوع n.

في السابق، ركز بحث كاهون على التركيب التصاعدي والتحكم المكاني للسيليكون مع البورون للأسلاك النانوية من النوع p ، ومع الفوسفور للأسلاك النانوية من النوع n لإضفاء الأشكال الهندسية والوظائف المرغوبة.

قال كاهون: “لقد استخدمنا هذا النهج لإنشاء فئة جديدة من الجسيمات النانوية متعددة الوصلات التي تقسم الماء، وهي تجمع بين المزايا المادية والاقتصادية للسيليكون والمزايا الضوئية للأسلاك النانوية التي يكون قطرها أصغر من الطول الموجي للضوء الممتص”، “نظرًا لعدم التناسق المتأصل في تقاطعات الأسلاك، تمكنا من استخدام طريقة كهروكيميائية تعمل بالضوء لإيداع المحفزات المساعدة بشكل انتقائي على نهايات الأسلاك لتمكين فصل الماء.”