طور باحثون في اليابان عامل تحفيز ضوئي جديد يمكنه استخدام نطاق أوسع من ضوء الشمس لإنتاج الهيدروجين، مما يوفر دفعة محتملة لتقنيات الوقود النظيف.
وجاء هذا الإنجاز من معهد العلوم في طوكيو، حيث صمم العلماء نظامًا حساسًا للضوء يمتص الضوء المرئي طويل الطول الموجي الذي تفوته المحفزات الضوئية التقليدية عادةً.
من خلال إعادة التفكير في المعدن المستخدم في صبغة امتصاص الضوء، أظهر الفريق طريقة لتحسين تحويل الطاقة الشمسية إلى هيدروجين دون زيادة تعقيد النظام الكلي. يشير هذا العمل إلى مسار عملي لجعل إنتاج الهيدروجين من ضوء الشمس أكثر كفاءة في الظروف الواقعية.
نشرت الدراسة في مجلة ACS Catalysis.
حدود أنظمة الهيدروجين الشمسية التقليدية
يعتمد إنتاج الهيدروجين الشمسي على محفزات ضوئية تمتص ضوء الشمس وتستخدم هذه الطاقة لتفكيك الماء إلى هيدروجين وأكسجين. تعتبر هذه الطريقة جذابة لأنها تولد الوقود دون انبعاثات كربونية. ومع ذلك، تواجه العديد من المحفزات الضوئية الحالية قيدًا أساسيًا، إذ إنها تمتص جزءًا ضيقًا فقط من الضوء المرئي.
تستجيب معظم الأنظمة التقليدية لأطوال موجية قصيرة من الضوء المرئي، ما يؤدي إلى فقدان جزء كبير من الطاقة الشمسية. وتصبح هذه الكفاءة المنخفضة أكثر وضوحًا في ظروف الإضاءة المنخفضة أو عند الغيوم، حيث تصبح كل فوتون مهمًا.
تم تطوير المحفزات الضوئية الحساسة للصبغة لمعالجة جزء من هذه المشكلة، حيث تمتص جزيئات الصبغة الضوء وتنقل الطاقة إلى سطح المحفز، فتعمل الصبغة كهوائي لجمع الضوء، مما يحسن الأداء مقارنة بالمحفزات الخالية من الصبغة. ومع ذلك، غالبًا ما تعتمد هذه الأنظمة على صبغات ذات نطاق امتصاص محدود.
تبديل المعدن لتوسيع امتصاص الضوء
ركز فريق معهد العلوم في طوكيو، بقيادة البروفيسور كازوهیکو مايدا وطالبة الدراسات العليا هاروكا ياماموتو، على الصبغة نفسها. تستخدم معظم المحفزات الضوئية الحساسة للصبغة مركبات الروثينيوم، التي تمتص الضوء المرئي حتى حوالي 600 نانومتر.
لتجاوز هذا الحد، استبدل الباحثون الروثينيوم بالأوزميوم في مركز الصبغة، ما غيّر بشكل كبير سلوك امتصاص الضوء. يمكن للصبغة الجديدة القائمة على الأوزميوم امتصاص الضوء المرئي من 600 إلى 800 نانومتر، لتغطي جزءًا أكبر بكثير من الطيف الشمسي.
يمكّن هذا الامتصاص الأوسع النظام من توليد عدد أكبر من الإلكترونات المثارة عند التعرض لأشعة الشمس، مما يحسن بشكل مباشر إنتاج الهيدروجين.
لماذا يصنع الأوزميوم الفرق؟
يأتي مكسب الأداء من خاصية تعرف بتأثير الذرة الثقيلة، إذ يعزز الأوزميوم انتقالات إلكترونية منخفضة الطاقة تسمح بامتصاص الضوء طويل الطول الموجي، بينما لا تستطيع مركبات الروثينيوم الوصول إلى هذه الانتقالات بكفاءة.
أظهر النظام الجديد ضعف كفاءة تحويل الطاقة الشمسية إلى هيدروجين مقارنة بالمحفزات التقليدية، مع الحفاظ على الأداء حتى في ضوء الشمس المعتدل، ما يجعله مناسبًا للاستخدام العملي في الخارج.
آثار التكنولوجيا على المستقبل
يمكن لهذه القدرة على تحويل مزيد من الفوتونات إلى طاقة كيميائية أن تفيد مجموعة من التقنيات الشمسية، مثل أنظمة التمثيل الضوئي الاصطناعي أو إنتاج الهيدروجين اللامركزي، حيث تعمل بثبات أكبر عبر مناخات وظروف إضاءة مختلفة.
مع الحاجة إلى مزيد من التحسينات، يوضح البحث استراتيجية تصميم واضحة للمحفزات الضوئية المستقبلية، إذ يمكن للعلماء من خلال اختيار المعادن المناسبة توسيع امتصاص الضوء دون إعادة تصميم الأنظمة بالكامل.
