الملخص:
وقد طور الباحثون مؤخرا جهازا جديدا "للأوراق الاصطناعية" مستوحى من الأوراق الطبيعية، يمكنه استخدام ضوء الشمس لإنتاج الهيدروجين النظيف مباشرة من مياه البحر الملوثة، وفي الوقت نفسه تحلل الهيدرازين الملوث السام في مياه الصرف الصناعي، مما يحقق وظيفتي إنتاج الطاقة وتنقية المياه في وقت واحد. تم نشر هذه النتيجة في مجلة "Nature Communications" وتعتبر بمثابة فكرة جديدة أكثر كفاءة واستدامة لإنتاج الطاقة الهيدروجينية الخضراء في المستقبل.
يُنظر إلى الهيدروجين على نطاق واسع باعتباره أحد مصادر الطاقة النظيفة المهمة في المستقبل، لكن عملية إنتاج الهيدروجين التقليدية غالبًا ما تتطلب كمية كبيرة من الطاقة. الطريقة الأكثر شيوعًا حاليًا هي التحليل الكهربائي للماء، والذي يستخدم التيار الكهربائي لتقسيم الماء إلى هيدروجين وأكسجين. ومع ذلك، تعتمد معظم أنظمة التحليل الكهربائي على موارد المياه العذبة الثمينة. وعلى الرغم من وفرة مياه البحر، إلا أنه من الصعب الاستفادة منها بشكل مباشر، وذلك لاحتوائها على كمية كبيرة من أيونات الكلوريد. لا تقلل أيونات الكلوريد من كفاءة التفاعل فحسب، بل قد تنتج أيضًا منتجات ثانوية سامة ومسببة للتآكل، مما يتسبب في تلف المعدات.
للتغلب على هذه المشكلات، قام فريق بحث من جامعة نانيانج التكنولوجية في سنغافورة بتصميم جهاز جديد يعمل بالضوء. يمكن للجهاز جمع الطاقة الشمسية تمامًا كما تقوم أوراق النباتات بعملية التمثيل الضوئي وتحويل الطاقة الضوئية مباشرة إلى الطاقة الكهربائية اللازمة لدفع التفاعلات الكيميائية دون الحاجة إلى دعم إضافي لإمدادات الطاقة الخارجية.
قام الفريق البحثي بإدخال محفز مكون من الحديد والكوبالت والكروم في الجزء الموجب من الجهاز. يقوم المحفز بتكسير الهيدرازين، وهو مادة كيميائية شديدة السمية توجد عادة في مياه الصرف الصناعي، إلى هيدروجين ونيتروجين. بالمقارنة مع التفاعل الذي ينتج الأكسجين في عمليات التحليل الكهربائي التقليدية للمياه، فإن عملية أكسدة الهيدرازين تتطلب طاقة أقل، لذلك يمكنها تحسين كفاءة إنتاج الهيدروجين بشكل كبير. في نفس الوقت، يتم إزالة الهيدرازين كملوث بشكل فعال، مما يحقق وظيفة تنقية مياه الصرف الصحي.
يقول الباحثون إن هذا التصميم يجلب فوائد مزدوجة. فمن ناحية، يستخدم الكاثود ضوء الشمس لدفع مياه البحر لإنتاج الهيدروجين؛ من ناحية أخرى، ينتج الأنود أيضًا هيدروجينًا إضافيًا أثناء معالجة الهيدرازين الضار، وبالتالي زيادة إجمالي إنتاج الهيدروجين للنظام. بالإضافة إلى ذلك، يتمتع المحفز بمقاومة ممتازة للتآكل، ويمكن تعديل خواصه الكهربائية والفيزيائية والكيميائية وفقًا لمتطلبات التطبيقات المختلفة.
والأهم من ذلك، أن آلية التفاعل هذه يمكنها أيضًا أن تمنع بشكل كبير توليد منتجات الكلوريد الثانوية الضارة أثناء التحليل الكهربائي لمياه البحر. بسبب انخفاض توليد المواد المسببة للتآكل والسامة، من المتوقع أن يتم تحسين استقرار تشغيل المعدات وعمرها.
في جزء التحويل الكهروضوئي، استخدم الباحثون مواد بيروفسكايت هاليد الرصاص لصنع الكاثودات. وقد حظي هذا النوع من المواد شبه الموصلة باهتمام واسع النطاق في السنوات الأخيرة بسبب كفاءته العالية في امتصاص الطاقة الضوئية وتحويلها إلى طاقة كهربائية. ولمنع المادة من التحلل بسبب بيئة مياه البحر، قام الفريق بحمايتها باستخدام راتنجات الإيبوكسي الموصلة التي تحتوي على جزيئات الفضة والنحاس، بالإضافة إلى رقائق التيتانيوم.
تظهر النتائج التجريبية أن الجهاز يمكنه توليد تيار ثابت سواء في مياه البحر المحاكاة أو في عينات مياه البحر الفعلية. تصل كثافة التيار الكهروضوئي إلى 25 مللي أمبير لكل سنتيمتر مربع، وهو المستوى الرائد بين النتائج الحالية المبلغ عنها للكاثود الضوئي البيروفسكايت القائم على الرصاص، مما يشير إلى قدرته الممتازة على تحويل الطاقة الشمسية.
كان أداء اختبار الثبات جيدًا أيضًا. وفي ظل ظروف تعادل شدة ضوء الشمس الطبيعي في يوم صاف، يعمل الجهاز بشكل متواصل لأكثر من 72 ساعة، ويظل أداءه مستقرا. وفي الوقت نفسه، تم تخفيض تركيزات الهيدرازين من 0.5 مول لكل لتر إلى 0.5 جزء في المليار (ppb)، وهو أقل بكثير من حد الأمان الذي حددته وكالة حماية البيئة الأمريكية وهو 10 جزء في المليار.
يعتقد فريق البحث أن هذه التقنية تثبت جدوى استخدام الطاقة الشمسية لدفع مياه البحر مباشرة لإنتاج الهيدروجين ومعالجة الملوثات في الوقت نفسه. وبعد ذلك، يخططون لتوسيع نطاق تطبيق المنصة لتمكينها من التعامل مع المزيد من أنواع الملوثات واستكشاف إمكانية تحويل النفايات إلى وقود أو مواد كيميائية صناعية، وبالتالي تعزيز التنمية المتكاملة لتقنيات الطاقة الخضراء والإدارة البيئية.
التعليقات