الهيدروجين ضروري لانتقال الطاقة، طالما أنه يتم إنتاجه من مصادر متجددة ( الهيدروجين الأخضر ).
من المعروف منذ زمن طويل أن الإلكترونات الموجودة في بعض أشباه الموصلات يمكن أن تشارك في التفاعلات الكيميائية عندما تتعرض لأشعة الشمس.
وهذا هو الحال مع ثاني أكسيد التيتانيوم، وهو مادة رخيصة وغير ضارة تستخدم على نطاق واسع كصبغة بيضاء في الدهانات والبلاستيك والورق والأحبار ومستحضرات التجميل.
الإلكترونات المثارة في ثاني أكسيد التيتانيوم قادرة على توليد الهيدروجين من البروتونات الموجودة في الماء والمركبات العضوية، ومع ذلك، فإن إنتاج الهيدروجين منخفض جدًا لأن الإلكترونات تميل إلى الاسترخاء بدلاً من التفاعل، وبالتالي فإن كفاءة العملية منخفضة جدًا من الناحية العملية.
يمكن التغلب على هذا القيد عن طريق ملامسة ثاني أكسيد التيتانيوم مع الجسيمات النانوية المعدنية، والتي تعمل كمرشحات للإلكترون، مما يطيل عمر الإلكترونات في حالة مثارة حتى تتمكن من التفاعل وإنتاج الهيدروجين، وهذا يسمح لنا بتحقيق عوائد أعلى بمئات المرات.
محفز ضوئي فعال
قام فريق من UPC والمعهد الكاتالوني لعلوم النانو وتكنولوجيا النانو (ICN2) بتصميم محفز ضوئي فعال ومستقر قادر على إنتاج الهيدروجين مباشرة باستخدام ضوء الشمس.
ونشرت النتائج في مجلة نيتشر كوميونيكيشنز .
هذه الدراسة هي خطوة إلى الأمام لإنتاج الهيدروجين المستدام، قادها الباحث في رامون إي كاخال لويس سولير والبروفيسور جوردي يوركا من مجموعة أبحاث ENCORE-NEMEN التابعة لقسم الهندسة الكيميائية ومعهد تقنيات الطاقة بجامعة بوليتكنيكا في كاتالونيا – برشلونة للتكنولوجيا (UPC) وهم أيضًا جزء من المركز النوعي لأبحاث الهيدروجين (CER-H2).
باستخدام عملية ميكانيكية كيميائية، قام الباحثون بترسيب مجموعات معدنية على جسيمات نانوية من ثاني أكسيد التيتانيوم ذات أشكال مختلفة، ووجدوا أن الوجوه البلورية المكشوفة المختلفة لثاني أكسيد التيتانيوم تلعب أيضًا دورًا رئيسيًا في إنتاج الهيدروجين.
يرتبط كل من استقرار المحفزات الضوئية وقوة نقل الإلكترون بين أشباه الموصلات والجسيمات النانوية المعدنية ارتباطًا وثيقًا بالأوجه المكشوفة لأشباه الموصلات، المسؤولة عن حركة الذرة وتجميعها.
كيفية تطبيق تكنولوجيا النانو
النتائج واضحة، عندما يتم ترسيب مجموعات البلاتين على جسيمات نانوية من ثاني أكسيد التيتانيوم ثماني السطوح، يتم الحصول على محفز ضوئي ينتج كميات أعلى من الهيدروجين، والأهم من ذلك، أكثر استقرارًا من أي تركيبة أخرى.
وتعد هذه الدراسة مثالاً رائعًا لكيفية تطبيق تكنولوجيا النانو لتصميم أجهزة جديدة في مجال الطاقة.
لفهم النتائج، أجرى الباحث في رامون إي كاخال كلاوديو كازورلا من قسم الفيزياء في UPC حسابات ميكانيكية الكم لدراسة البنية الإلكترونية للمحفزات الضوئية، والتي تمت مقارنتها بنتائج التحليل الطيفي الإلكتروني الضوئي للأشعة السينية الذي تم الحصول عليه في مركز أبحاث UPC في العلوم والهندسة متعددة النطاقات.
يقع المركز في الحرم الجامعي Diagonal-Besòs، كما هو الحال في كلية برشلونة الشرقية للهندسة (EEBE)، حيث يقوم الباحثون بالتدريس أيضًا.
ستمكن نتائج هذا البحث من تصميم محفزات جديدة لإنتاج فعال ومستدام للهيدروجين الأخضر.
يجري العمل بالفعل في UPC في المركز النوعي لأبحاث الهيدروجين لوضع هذه النتائج موضع التنفيذ.
