وصفات جديدة لإنتاج أفضل للوقود الشمسي.. إنشاء أنواع جديدة من المحفزات الضوئية وتحسين كفاءة الهيدروجين

تمامًا كما تتطلب الوجبة الرائعة المكونات المناسبة المعدة بخبرة ، فإن إنتاج بدائل أفضل للوقود الأخضر يتطلب الجمع بين المواد والطرق المناسبة.

في الآونة الأخيرة ، وجد فريق من الباحثين من الصين والمملكة المتحدة طرقًا جديدة لتحسين وصفة إنتاج الوقود الشمسي.

نُشرت النتائج التي توصلوا إليها في مقالتين، واحدة في مجلة Applied Surface Science ، والأخرى في Optical Materials .

الهيدروجين هو مصدر طاقة خالٍ من الانبعاثات ويمكن إنتاجه من المياه باستخدام الطاقة الشمسية ويوفر إمكانات كبيرة للمساعدة في التخفيف من أزمة المناخ.

تسمى عملية إنتاج الهيدروجين من الماء “فصل الماء” لأنها تكسر الماء إلى عنصرين، الهيدروجين والأكسجين، يتطلب تقسيم الماء محفزًا ضوئيًا من أشباه الموصلات ، وهو مادة أو مركب يمتص ضوء الشمس ثم يستخدم طاقته في عملية الانقسام، ومع ذلك، تختلف المحفزات الضوئية لأشباه الموصلات لتقسيم المياه في كفاءتها.

أنواع جديدة من المحفزات الضوئية

باستخدام مجموعات جديدة من الأساليب والمواد لإنشاء أنواع جديدة من المحفزات الضوئية، قام الباحثون بتحسين كفاءة إنتاج الهيدروجين.

يوضح الدكتور جراهام داوسون، الذي قاد الدراسات في جامعة Xi’an Jiaotong-Liverpool ، “بإضافة مواد مثل الذهب أو نترات البورون إلى المحفزات الضوئية باستخدام طرق خلط معينة، يمكننا زيادة كمية الضوء التي يتم امتصاصها، يقول: “كلما زاد الضوء الذي يُمتص، زادت الطاقة المناسبة لتقسيم الماء، وبالتالي يزداد إنتاج الهيدروجين”.

إيجاد الوصفة المثالية

يقول يانان جاو، المؤلف الأول للمقال في علم السطح التطبيقي، إن تعديل المواد المستخدمة بشكل شائع كمحفزات ضوئية يساعد في التغلب على قيودها، يعد ثاني أكسيد التيتانيوم أحد أكثر المواد استخدامًا، “يمكن لثاني أكسيد التيتانيوم تسخير الطاقة مباشرة من الشمس مع تلوث ضئيل، ويظهر إمكانات كبيرة في تطوير التقنيات المتعلقة بالطاقة الشمسية”.

توضح تشاو، التي حصلت على درجة الماجستير في الكيمياء من XJTLU وحصلت على منحة دراسية كاملة لـ متابعة الدكتوراه لها، في جامعة نورث داكوتا.

وجد الباحثون، أن إضافة نيتريد البورون إلى أحد أشكال ثاني أكسيد التيتانيوم ينتج محفزًا ضوئيًا يمكنه امتصاص طاقة أطوال موجية أكثر من الأشعة فوق البنفسجية، نيتريد البورون، مركب من البورون والنيتروجين، له موصلية كهربائية جيدة ويمكنه تحمل درجات حرارة تصل إلى 2000 درجة مئوية.

يشرح Zhao العملية: “لتحضير مادة التحفيز الضوئي المركبة، قمنا بدمج نيتريد البورون مع أنابيب التيتانيوم النانوية، وهي هياكل شبيهة بالأنابيب بأبعاد تقاس بالنانومتر – النانومتر الواحد يساوي واحدًا من المليار من المتر.

“من خلال تحسين نسبة نيتريد البورون إلى أنابيب التيتانيوم النانوية واستخدام العمليات الكيميائية لدمج المركبات ، أنتجنا محفزًا ضوئيًا مركبًا للغاية، يمكنه امتصاص الضوء من نطاق أوسع من الأطوال الموجية وإنتاج المزيد من الهيدروجين مقارنة بطرق الخلط الفيزيائية التقليدية.”

اندفاع الذهب

في الدراسة الثانية ، المنشورة في المواد البصرية ، وجد فريق الدكتور داوسون خيارًا إضافيًا لتحسين كفاءة التحفيز الضوئي في تقسيم المياه، قاموا بتغطية أسطح أنواع معينة من الهياكل التحفيزية الضوئية بحجم معين من جزيئات الذهب النانوية وبالتالي زيادة كمية الضوء التي يمكن أن تمتصها.

الصفائح النانوية والأنابيب النانوية

يوضح شيكي جاو، المؤلف الأول لهذه الدراسة، “إن بنية مادة التحفيز الضوئي المستخدمة مهمة جدًا، في هذه الدراسة، تم استخدام شكلين من البنى النانوية التحفيزية الضوئية – الصفائح النانوية والأنابيب النانوية، وتغطيتها بجزيئات ذهبية مختلفة الأحجام لمعرفة أي مجموعة أنتجت أكبر كمية من الهيدروجين من الماء، و”أظهرت النتائج أن الصفائح النانوية المعدلة بجزيئات ذهب صغيرة وموحدة كان لها أفضل أداء تحفيزي ضوئي من بين المواد التي اختبرناها.

وأظهرت هذه الهياكل النانوية المطلية بالذهب أداء إنتاج الهيدروجين التحفيزي الضوئي أكثر بنحو 36 مرة من الأنابيب النانوية غير المعدلة”.

يقول جاو “يوفر هذا فهمًا جديدًا لكيفية تعديل مواد التحفيز الضوئي لأشباه الموصلات باستخدام جزيئات الذهب النانوية، ولها تطبيقات قيمة في مجالات إنتاج الهيدروجين التحفيزي الضوئي والخلايا الشمسية وأجهزة الاستشعار البصرية”