باحث مصري يساهم في اكتشاف مادة أكثر كفاءة لإنتاج الهيدروجين الأخضر من أشعة الشمس
تاريخ النشر: 28th, July 2023 GMT
تقدم حلم تزويد عالمنا بوقود هيدروجيني مستدام ونظيف خطوة واعدة إلى الأمام بفضل التطور الأخير في علوم المواد، وكجزء من الجهود المستمرة لتطوير المواد التي يمكن أن تمكن مصادر الطاقة البديلة اكتشف فريق بحثي دولي من جامعة دريكسل في الولايات المتحدة بالمشاركة مع المعهد الوطني لفيزياء المواد في بوخارست برومانيا مادة نانوية أحادية الأبعاد من أكسيد التيتانيوم.
نشرت نتائج الاكتشاف في دورية "ماتر" في التاسع من يونيو/حزيران الماضي، وأعلن عنها في 13 يوليو/تموز الحالي على الموقع الرسمي لجامعة دريكسل.
حاورت الجزيرة الدكتور حسين بدر الباحث الأول في الدراسة والباحث في هندسة وعلوم النانو وأحد أعضاء مجموعة برسوم في جامعة دريكسل.
لماذا الهيدروجين؟يعد الهيدروجين وقودا خاليا من الانبعاثات الحرارية المسبب الرئيسي للتغيرات المناخية والاحترار العالمي، ولذلك فإن إنتاج الهيدروجين من الماء باستخدام ضوء الشمس مصدرا للطاقة المتجددة هو البديل الأكثر استدامة وصداقة للبيئة.
لكن استخلاص الهيدروجين من الماء ظل مهمة صعبة، وتتضمن هذه العملية -التي تسمى "التحفيز الضوئي"- فصل الهيدروجين عن الماء باستخدام ضوء الشمس فقط.
ودُرس التحفيز الضوئي لسنوات عديدة، لكنه ظل خارج نطاق الاعتبار، لأن المواد المحفزة التي تمكن العملية لا يمكنها الصمود إلا لأيام معدودة، مما يحد من كفاءتها على المدى الطويل وبالتالي جدواها التجارية، وهنا يأتي دور تطوير عوامل التحفيز الضوئي.
ويقول الدكتور حسين بدر إن "المحفزات الضوئية مواد تساعد على إتمام التفاعل الضوئي عن طريق امتصاص الفوتونات الضوئية، فإذا ما نظرنا في تركيبها الفيزيائي فسنجد ما يسمى نطاق التكافؤ الذي يحتوي على إلكترونات ذات مستوى طاقة منخفض، بالإضافة إلى نطاق التوصيل الذي يحتوي على إلكترونات ذات مستوى طاقة أعلى، ويشار إلى فرق الطاقة بين هذين المستويين بفجوة نطاق الطاقة، وهو المقدار الذي يحدد فعالية المادة كعامل حفز ضوئي".
ويضيف بدر "عندما يمتص العامل المحفز مقدارا كافيا من الطاقة اللازمة (تساوي أو تزيد على فجوة نطاق الطاقة) يقفز الإلكترون من مستوى نطاق التكافؤ (الأدنى) إلى مستوى التوصيل (الأعلى) تاركا فجوة موجبة الشحنة في نطاق التكافؤ.
ويشكل الإلكترون ذو الشحنة السالبة والفجوة ذات الشحنة الموجبة طرفي الدائرة الكهربائية على سطح المادة المحفزة، وهذا ما يحدث تماما أثناء عملية فصل الهيدروجين والأكسجين من الماء، إذ تلعب الإلكترونات دورا في اختزال الماء إلى غاز الهيدروجين، فيما تقوم الفجوات الموجبة بأكسدته إلى غاز الأكسجين.
وأضاف "يحدد حجم فجوة نطاق الطاقة أيضا أي الأطوال الموجية للضوء قادرة على إثارة الإلكترونات لبدء هذه التفاعلات، وتتطلب المحفزات الضوئية ذات فجوات نطاق الطاقة الأصغر فوتونات طاقة أقل حتى تتمكن من امتصاص المزيد من طيف الضوء المرئي، وهذا هو مفتاح التحويل الفعال للطاقة الشمسية".
وقد حقق حسين بدر والفريق هذا الأمر عن طريق معالجة أكسيد التيتانيوم كيميائيا لتوسيع نطاق امتصاص الضوء، وأسفرت التجارب عن المحفز الضوئي القائم على أكسيد التيتانيوم والقادر على توليد الهيدروجين بكفاءة 10 أضعاف مقارنة بنظيره التجاري، وفقا لبدر، ولكن كيف بدأت انطلاقة الهيدروجين في معامل دريكسل؟
مادة خالية من الفلورينيعد ثاني أكسيد التيتانيوم "تي آي أو 2" إحدى أكثر المواد الواعدة للتحفيز الضوئي، وهو مادة اقتصادية ووفيرة تستخدم على نطاق واسع في الدهانات ومستحضرات التجميل والخلايا الشمسية.
يمتص ثاني أكسيد التيتانيوم الضوء فوق البنفسجي ويولد الإلكترونات والفجوات الموجبة التي تتفاعل مع الماء لإنتاج الهيدروجين والأكسجين، ومع ذلك فإن ثاني أكسيد التيتانيوم له عيب كبير، إذ إنه محدود الكفاءة.
قبل عامين من هذه الدراسة اكتشف بدر تحت إشراف البروفيسور ميشيل برسوم أستاذ هندسة وعلوم المواد في جامعة دريكسل البنى النانوية المشتقة من الهيدروكسيدات "إتش دي إن إس" عائلة المواد النانوية لأكسيد التيتانيوم، والتي تنتمي إليها مادة التحفيز الضوئي، حيث كان الهدف تخليق مواد "ميكسين" جديدة، والتي يستكشفها باحثو دريكسل لعدد من التطبيقات.
وبدلا من استخدام حمض الهيدروفلوريك لعملية التقشير الكيميائي لطبقات الميكسين ثنائية الأبعاد استخدم الفريق محلولا مائيا قاعديا، وذلك بهدف إنتاج مادة خالية من الفلورين لا تحتاج إلى حرارة عالية أثناء عملية تخليقها.
ووفقا للتغطية الصحفية المنشورة على موقع جامعة دريكسل، قال العالم الأميركي البروفيسور ميشيل برسوم وقائد مجموعة برسوم البحثية "نحن متحمسون جدا لإمكانيات هذا الاكتشاف، يحتاج العالم إلى أنواع وقود نظيفة جديدة بمعدلات إنتاج ضخمة يمكنها أن تحل محل الوقود الأحفوري، نعتقد أن هذه المادة يمكنها إطلاق العنان لإمكانيات الهيدروجين الأخضر".
قنينة البلاستيكويقول الدكتور حسين بدر "كانت الخطة هي تحضير مادة من عائلة الميكسين بطريقة غير مكلفة اقتصاديا وصديقة للبيئة، حيث يتطلب تحضير مثل هذه المواد أفرانا تصل حرارتها إلى 1500 درجة مئوية تحت ظروف خاصة، وأحماضا قوية جدا تنتج عنها مخلفات ضارة بالبيئة من مشتقات الفلور".
وأضاف "حاولنا تحضير المادة الجديدة من هذه العائلة من عناصر موجودة بوفرة وظروف تفاعل غير مكلفة اقتصاديا وصديقة للبيئة، وكانت المفاجأة خيوطا أحادية الأبعاد من أكسيد التيتانيوم، والتي يتم تحضيرها في قنينة بلاستيكية بعشرات الغرامات، فبدأنا بدراسة خواصها وتطبيقاتها الضوئية، أول ما فعلناه آنذاك هو وضع المادة في محلول مائي تحت ضوء صناعي يحاكي ضوء الشمس، وجدنا أنها تمتلك القدرة على تسهيل التفاعل الكيميائي الذي يفصل الهيدروجين من جزيئات الماء عند تعرضه لأشعة الشمس".
وأضاف بدر "أظهر المحفز الضوئي للخيوط النانوية أحادية الأبعاد من أكسيد التيتانيوم نشاطا أعلى بكثير من نظيره التجاري، لكن المذهل حقا هو أن المحفز الجديد ظل مستقرا في الماء لمدة 6 أشهر، مما يعني جيلا جديدا من المحفزات الضوئية التي يمكنها أخيرا تحقيق الانتقال الذي طال انتظاره من المختبر إلى السوق".
اختبرت المجموعة 5 مواد محفزة من عائلة أكسيد التيتانيوم مشتقة من مواد أولية منخفضة التكلفة ومتاحة بسهولة، وقورنت المواد بنظيرها التجاري من شركة "إيفونيك إيروكسيد"، ووجد الفريق أن المحفزات الضوئية الخمسة القائمة على أكسيد التيتانيوم تعمل بكفاءة 10 مرات أكثر من النظير التجاري في تمكين الفوتونات لفصل الهيدروجين من الماء.
ووفقا لبدر، فإن الاكتشاف الأكثر أهمية هو أن المواد ظلت نشطة في إنتاج الهيدروجين لمدة تصل إلى 300 ساعة تحت ضوء الشمس، وهذا ما يبشر بالكثير من التطبيقات الواعدة، وأكدنا بما لا يدع مجالا للشك على أن موادنا مستقرة وقادرة على التحفيز الضوئي في خلائط الميثانول المائي لفترات طويلة.
من التخليق إلى التسويقيمكن استخدام هذه الألياف النانوية أحادية الأبعاد من أكسيد التيتانيوم في تنقية المياه وخلايا البيروفسكايت الشمسية وبطاريات الليثيوم أيون من بين العديد من التطبيقات الأخرى، إن قدرتها على الإنتاج بسهولة وأمان بكميات كبيرة تجعلها في مركز متقدم على المواد النانوية الأخرى في مضمار سباق المحفزات الضوئية.
وبفضل النتائج الواعدة تقدم الفريق بفكرة طرح المادة كمنتج تجاري لبرنامج "إن إس إف للابتكار"، وتم اختيار المشروع للمشاركة في البرنامج، وكاستثمار للاكتشاف يعمل الدكتور حسين بدر مع مكتب دريكسل للابتكار وبرنامج الابتكار التابع لمؤسسة العلوم الوطنية للتحرك نحو تسويق المادة كمنتج تجاري.
المصدر: الجزيرة
كلمات دلالية: إنتاج الهیدروجین الهیدروجین من من التطبیقات ضوء الشمس من الماء
إقرأ أيضاً:
أبوظبي: خفض 26 مليون طن من مكافئ ثاني أكسيد الكربون
أبوظبي (الاتحاد)
أخبار ذات صلةأعلنت دائرة الطاقة وهيئة البيئة - أبوظبي تحقيق تقدم كبير في تنفيذ استراتيجية التغير المناخي لإمارة أبوظبي 2027-2023، التي تهدف إلى تعزيز مرونة الإمارة في مواجهة تداعيات التغيّر المناخي، ودعم جهود تحقيق أهداف الحياد المناخي، ومخرجات اتفاق الإمارات، واستمراراً للدور الريادي العالمي لدولة الإمارات في مجال الاستدامة، وضمان تحقيق نمو اقتصادي مستدام.
جاء الإعلان المشترك على هامش المشاركة بالدورة التاسعة والعشرين لمؤتمر الأطراف لاتفاقية الأمم المتحدة الإطارية بشأن تغير المناخ COP29، المنعقد في باكو، أذربيجان، في الفترة من 11 إلى 22 نوفمبر 2024، والذي يمثل فرصة محورية لتسريع العمل من أجل معالجة أزمة المناخ. وتجمع هذه الدورة قادة الحكومات وقطاع الأعمال والمجتمع المدني لإيجاد حلول ملموسة لتغير المناخ مع ارتفاع درجات الحرارة العالمية إلى مستويات قياسية، وتأثير الظواهر الجوية المتطرفة على الإنسان في جميع أنحاء العالم.
وتعتبر الاستراتيجية الأولى من نوعها في المنطقة، وهي قائمة على التخفيف من خلال خفض انبعاثات الإمارة والتكيف مع آثار التغير المناخي، من خلال حماية جميع القطاعات الأكثر هشاشة لتداعيات تغير المناخ، وتشكل الاستراتيجية المرحلة الأولى من خطة إمارة أبوظبي للوصول إلى الحياد المناخي بحلول 2050، ويتم تنفيذها على فترة زمنية تمتد لخمس سنوات من خلال 77 مشروعاً استراتيجياً تنفذها 14 جهة حكومية وغير حكومية.
ووفقاً للتقرير الصادر عن اللجنة، والذي يرصد الإنجازات التي تحققت في العام الأول من إطلاق الاستراتيجية منذ يوليو 2023، تم خفض حوالي 26 مليون طن من مكافئ ثاني أكسيد الكربون حتى نهاية 2024، ويُعد هذا إنجازاً هاماً نحو تحقيق الهدف النهائي للاستراتيجية والمتمثل في خفض 22% من انبعاثات الإمارة بحلول عام 2027 مقارنة بسنة الأساس 2016. وخلال هذا العام تم إنجاز العديد من المشاريع، ومنها على سبيل المثال استكمال مشروع توليد الطاقة الكهربائية باستخدام الطاقة النووية، والذي بدوره أدى إلى خفض انبعاثات غازات الدفيئة في الإمارة بواقع 22.4 مليون طن من ثاني أكسيد الكربون المكافئ، ومشروع محطة الظفرة للطاقة الشمسية الكهروضوئية الذي ساهم في تقليل انبعاث 2.4 مليون طن من ثاني أكسيد الكربون المكافئ، وتطوير الآلية التنظيمية لتطبيق الاقتصاد الدائري في القطاع الصناعي.
أما فيما يتعلق بخطط التكيف مع آثار التغير المناخي في القطاعات الأكثر هشاشة مثل: الطاقة، البيئة، البنية التحتية، والصحة، فقد بلغ التقدم حتى تاريخه نحو 30%، في إطار السعي لتحقيق الهدف المتمثل في وضع خطط تكيف كاملة لجميع القطاعات الرئيسية بنسبة 100% بحلول عام 2027.
ورصد التقرير سير العمل بمشاريع الاستراتيجية التي تضم 77 مشروعاً تدعم أربعة محاور رئيسية، تشمل التكيف، التخفيف، التنوع الاقتصادي ومواضيع متقاطعة، حيث بلغت نسبة المشاريع المنجزة 26% من إجمالي المشاريع المخطط لها خلال فترة الاستراتيجية. وتضم هذه المشاريع 20 مشروعاً رئيسياً تم إنجازها.
كما تضم هذه المشاريع 43 مشروعاً قيد التنفيذ، بما في ذلك مشاريع رئيسية، مثل نظام الإنذار حول ارتفاع درجات الحرارة، خفض البصمة الكربونية لقطاع النفط والغاز، الحماية الخضراء من العواصف الطبيعية، حكومة خضراء لدعم الاقتصاد الأخضر المحلي، إعادة النظر في المخططات العمرانية، والانتقال إلى منظومة النقل الذكي منخفض الكربون. بالإضافة إلى ذلك، هناك 14 مشروعاً يتم الإعداد للبدء بتنفيذها، ومنها على سبيل المثال، إنشاء مراكز إيواء لمواجهة الكوارث الطبيعية، تحصين البنية التحتية القائمة، وتطوير تقنيات خفض انبعاثات الكربون.
وأكد المهندس أحمد محمد الرميثي، وكيل دائرة الطاقة في أبوظبي أن إمارة أبوظبي تواصل التزامها بدورها الريادي في تعزيز التعاون مع الشركاء الاستراتيجيين والأطراف المعنية لتسريع التحول في قطاع الطاقة؛ بهدف بناء مستقبل مستدام، وتحقيق الحياد المناخي بحلول عام 2050».
وأشار: «لقد أكدت أبوظبي مكانتها الريادية في مجال التصدي لظاهرة التغير المناخي، من خلال تقديم مجموعة من الحلول المبتكرة، وتنفيذ عدد من المشاريع الاستراتيجية البارزة، مثل محطة براكة للطاقة النووية التي تساهم في خفض الانبعاثات الكربونية بمقدار 22 مليون طن متري سنوياً والتي تعادل إزالة 4.8 مليون مركبة من الطرق، ومحطة نور أبوظبي للطاقة الشمسية التي تساهم في تقليل انبعاثات ثاني أكسيد الكربون بمقدار مليون طن متري سنوياً؛ أي ما يعادل إزالة 200 ألف مركبة من الطرق، إضافة إلى محطة الظفرة للطاقة الشمسية الكهروضوئية التي تساهم في خفض انبعاثات ثاني أكسيد الكربون في أبوظبي بأكثر من 2.4 مليون طن متري سنوياً، أي ما يعادل إزالة 470 ألف مركبة.
كما تضم قائمة المشاريع محطة الطويلة لتحلية المياه بالتناضح العكسي، التي تُعد أكبر محطة تناضح عكسي في العالم حالياً، بطاقة إنتاجية تبلغ 200 مليون جالون يومياً، وهو ما يكفي لتلبية الطلب على المياه لأكثر من 350 ألف منزل. وتواصل أبوظبي خططها الطموحة لإطلاق مشاريع جديدة تدعم التحول الفعّال والسريع في قطاع الطاقة، وتساهم في تحقيق رؤية دولة الإمارات لمستقبل مستدام خالٍ من الانبعاثات الكربونية».
التكاتف من أجل مستقبل مستدام
قالت د. شيخة سالم الظاهري، الأمين العام لهيئة البيئة – أبوظبي: «يأتي مؤتمر الأطراف COP29 في لحظة حاسمة تفرض علينا التكاتف من أجل مستقبل مستدام. هذا الحدث العالمي يمثل منصة فريدة لتعزيز العمل الجماعي في مواجهة التغير المناخي، والتأكيد على التزامنا بالحلول المستدامة والطموحة. من خلال التعاون الدولي وتبادل المعرفة، يمكننا وضع أسس قوية لتحسين جودة الحياة وحماية بيئتنا للأجيال القادمة».
وأضافت: «من خلال العمل مع شركائنا الاستراتيجيين، نسعى لتحقيق أهداف استراتيجيتنا الطموحة وتسريع العمل المناخي لتعزيز قدرة إمارة أبوظبي على مقاومة هذه الظاهرة، وتحقيق أهداف الحياد المناخي، وجعل الإمارة أكثر مرونة وجاهزية واستشرافاً للمستقبل مما يعطينا أفضلية لجذب الاستثمار، وتحسين جودة ونوعية الحياة لجميع السكان». وأشارت إلى «أن مستهدف التكيف الرئيسي في الاستراتيجية يستهدف حماية كاملة للقطاعات الأكثر عرضة لتداعيات التغير المناخي بنسبة 100%. حيث تتضافر جهودنا مع جميع الجهات المعنية من خلال فريق عمل أبوظبي لتغير المناخ لتحقيق أهداف هذه الاستراتيجية، التي سيكون لها الدور الفاعل في تعزيز قدرة أبوظبي على التكيف مع تغير المناخ، والتي نهدف من خلالها لحماية جميع قطاعاتنا المتأثرة بتداعيات تغير المناخ». وقالت الظاهري: «إن التحول إلى اقتصاد منخفض الكربون هو مسعى رئيسي في جميع دول العالم، ويمكن لأبوظبي أن تلعب دوراً رائداً في هذا التحول. سنقوم من خلال تنفيذ مستهدفات الاستراتيجية بخفض انبعاثات الإمارة بنسبة 22% مقارنة بالانبعاثات الكلية لعام 2016. وعلى سبيل المثال، فمن خلال الشراكة مع دائرة الطاقة، سنقود تحولاً كبيراً في تنويع مصادر الطاقة لخفض الانبعاثات الكربونية بشكل كبير في هذا القطاع الحيوي، وذلك من خلال وضع لوائح تنظيمية جديدة تستهدف توليد 60% من الكهرباء في إمارة أبوظبي من مصادر نظيفة ومتجددة بحلول عام 2035. كما تدعم الهيئة خطة «أدنوك» لتسريع جهود الحدّ من الانبعاثات للمساهمة في تحقيق هدفها للحياد المناخي بحلول عام 2045 بدلاً عن عام 2050 المعلن سابقاً، وتحقيق انبعاثات صفرية لغاز الميثان بحلول عام 2030». وأكدت اللجنة التزامها بمواصلة التعاون مع كافة الجهات المعنية لتعزيز المرونة المناخية لإمارة أبوظبي، وتحقيق طموح إمارة أبوظبي في العمل المناخي الفعّال على مختلف المستويات، تماشياً مع مبادرة دولة الإمارات الاستراتيجية للوصول للحياد المناخي بحلول 2050، ودعم الجهود العالمية لتحقيق الأهداف المناخية، وضمان مستقبل مستدام للأجيال القادمة.
دراسة تكشف العلاقة بين الضائقة المالية وآلام الظهر