Article image
مصدر الصورة: ماريانا بروينسا عبر أنسبلاش



توصل فريق من الباحثين إلى طريقة مبتكرة في تحويل ضوء الشمس إلى طاقة، ما قد يشكل طفرة في استخدام تكنولوجيات الطاقة النظيفة.

بقلم

2020-12-29 15:07:53

29 ديسمبر 2020

إستراتيجية كيميائية مبتكرة

على الرغم من التطور السريع الذي شهدته التكنولوجيا اللازمة لتحويل ضوء الشمس إلى كهرباء، إلا أن أوجه القصور في تخزين وتوزيع الطاقة الشمسية لا تزال تمثل مشكلة كبيرة تجعل إمكانية استغلالها على نطاق واسع أمراً غير قابل للتطبيق على المستوى العملي.

ويقول باحثون من جامعة فيرجينيا وعددٍ من كبرى المراكز البحثية الأميركية إنهم توصلوا إلى إستراتيجية كيميائية مبتكرة لتحسين كفاءة المواد المحفزة المستخدمة حالياً في عملية تحويل ضوء الشمس إلى طاقة، مؤكدين أن هذا الاكتشاف قد يمثل خطوة عملاقة نحو استخدام الطاقة النظيفة على نطاق واسع.

وقد نُشرت الدراسة التي أعدها الفريق البحثي في 14 ديسمبر الجاري، في دورية نيتشر كاتاليسيس (Nature Catalysis)، حيث شارك فيها عدد كبير من العلماء في كل من جامعة فيرجينيا، ومعهد كاليفورنيا للتكنولوجيا، ومختبر أرجون الوطني التابع لوزارة الطاقة الأميركية، ومختبر لورانس بيركلي الوطني، ومختبر بروكهافن الوطني.

نوع جديد من المواد المحفزة

أوضحت جامعة فيرجينيا، في تقرير نشرته على موقعها الإلكتروني، أن بعض التقديرات تشير إلى أن كمية الطاقة الشمسية التي تصل إلى سطح الأرض في عام واحد أكبر من إجمالي الطاقة التي يمكن أن ينتجها البشر باستخدام الموارد غير المتجددة.

وأضافت أن إحدى طرق الاستفادة من الطاقة الشمسية تتمثل في استخدامها لتفكيك جزيئات الماء إلى أكسجين وهيدروجين، حيث يتم تخزين الهيدروجين الناتج عن العملية كوقود، في شكل يمكن نقله من مكان إلى آخر واستخدامه لتوليد الطاقة عند الحاجة. ولتفكيك جزيئات الماء إلى مكوناتها الأولية، يجب وجود محفز، إلا أن كفاءة المواد المحفزة المستخدمة حالياً في هذه العملية -التي تُعرف باسم تفاعل تطور الأكسجين- لا تكفي لجعلها قابلة للاستخدام الموسع.

لذا، فقد طور فريق من الباحثين -بقيادة أستاذي الكيمياء في كلية الدراسات العليا للفنون والعلوم بالجامعة شين تشانج وتي برنت جونوي- إستراتيجية كيميائية مبتكرة لإنتاج نوع جديد من المحفزات التي تعتمد على عنصري الكوبالت والتيتانيوم. وأوضحت الجامعة أن الميزة التي تتمتع بها هذه العناصر هي أنها متوافرة في الطبيعة بشكل أكبر كثيراً من المواد المحفزة الأخرى التي تستخدم عادة، والتي تحتوي على معادن ثمينة مثل الإيريديوم أو الروثينيوم.

طريقة جديدة لتحويل ضوء الشمس إلى طاقة

مصدر الصورة: الرابطة الأميركية العامة للطاقة عبر أنسبلاش

ويقول تشانج إن العملية الجديدة “تتضمن إنشاء مواقع تحفيزية نشطة على المستوى الذري على سطح بلورات أكسيد التيتانيوم النانوية”، موضحاً أن هذه التقنية “تُنتج مادة محفزة معمرة وأفضل من ناحية إطلاق تفاعل تطور الأكسجين”.

قفزة إلى الأمام

من جانبه، قال جونوي إن “جامعة فيرجينيا انضمت قبل عدة سنوات إلى اتحاد ماكسنيت للطاقة (MAXNET Energy consortium)، الذي يضم في عضويته ثمانية من معاهد ماكس بلانك في ألمانيا، وجامعة كارديف بالمملكة المتحدة”. وأوضح أن الاتحاد يجمع الجهود الدولية التي تركز على أكسدة الماء باستخدام التحفيز الكهربائي.

وقد استخدم فريق البحث عدداً من المرافق التابعة لمختبر أرجون الوطني ومختبر لورانس بيركلي الوطني التي تستخدم الإشعاع لفحص تركيب المادة على المستوى الذري، وهو ما مكنهم من مراقبة كيفية تطور المحفز أثناء حدوث “تفاعل تطور الأكسجين” وسمح لهم بتقييم أدائه بدقة.

وقال هوا تشو، عالم الفيزياء المتخصص في مجال الأشعة السينية بمختبر أرجون الوطني، والذي شارك في الدراسة: “نشعر بسعادة بالغة بسبب المساهمات الهامة التي قدمها كلا المرفقين العلميين في هذا البحث الذكي المتعلق بتفكيك الماء، والذي سيشكل قفزة إلى الأمام في تكنولوجيات الطاقة النظيفة”.

بالإضافة إلى ذلك، تمكن باحثون في معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا -باستخدام تقنيات ميكانيكا الكم المطورة حديثاً- من التنبؤ بدقة بمعدل إنتاج الأكسجين الذي ينتجه المحفز، ما زود الفريق بفهم تفصيلي للآلية الكيميائية للتفاعل.

ويقول ويليام جودارد، أستاذ الكيمياء والفيزياء التطبيقية في معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا وأحد الباحثين الرئيسيين في الدراسة: “إن التركيب الذري لمحفز تشانج محدد جيداً، وقد وجدنا أن نتائجنا النظرية تتفق بشكل تام مع القياسات التجريبية” التي أجريت على المحفز، معتبراً أن هذه الدراسة “تمثل معلماً رئيسياً في مسار الطاقة النظيفة على مستوى العالم”.


شارك