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:
باحث ألماني: تعلّمت العربية لأنني أردت الهروب من ضيق الأفق في أوروبا
استعرض فايدنر الذي حل ضيفا على برنامج "المقابلة" رحلته الاستثنائية التي قادته من مقاعد الدراسة الثانوية في ألمانيا إلى جامعة دمشق، ومن ثم إلى رحاب الأدب العربي الحديث، ليصبح لاحقا أحد أبرز المستشرقين الألمان الجدد، المهتمين بقضايا الحوار بين الثقافات ونقد الإسلاموفوبيا.
يقول فايدنر إن اختياره للعربية جاء في سياق بحثه عن لغات عالمية مهمة، بعد أن أتقن الإنجليزية والفرنسية والإسبانية والروسية، مضيفا "عندما أردت أن أسافر، كانت العربية ستكون مفيدة جدا"، وبدأ تعلّم العربية في سن السادسة عشرة في مدرسة مسائية، ليجدها صعبة وممتعة في آن، لكنه لم يكتفِ بذلك.
اقرأ أيضا list of 4 itemslist 1 of 4لغة الكتاب العربي.. مناقشات أكاديمية حول اللسان والفلسفة والمنطقlist 2 of 4المفكر التونسي الطاهر لبيب: سيقول العرب يوما أُكلنا يوم أُكلت غزّةlist 3 of 4اللغة وتقبّل المجتمع أبرز التحديات التي تواجهها المرأة العربية بألمانياlist 4 of 4أنت في محنة عندما تحيا فلسطينيا في ألمانيا!end of listبعد سنتين من الدراسة الأولية، قرر فايدنر الانتقال إلى مستوى أعمق في دراسة اللغة والثقافة، فاختار الفلسفة والأدب المقارن، لكنه أدرك أن دراسة العربية ستمنحه تميزا، فانكب على ترجمة الشعر العربي الحديث، لشعراء مثل أدونيس ومحمود درويش ونزار قباني وبدر شاكر السياب.
لم يتردد فايدنر في الذهاب إلى المنطقة "الأصعب"، كما وصفها، مؤكدا أن "التحديات" كانت جزءا من جاذبية هذا المشروع، وبعد ذلك، توجه إلى سوريا لدراسة العربية في معهد تعليم اللغة للأجانب بدمشق، والمعهد الفرنسي للدراسات الشرقية، ليغوص في أعماق اللغة وثقافتها.
إعلانيصف فايدنر اللغة العربية بأنها "مفيدة جدا وجميلة جدا، لكن لها صعوبات خاصة"، مشيرا إلى الأحرف غير المألوفة، وانتشار اللهجات المحلية، لكنه اختار الفصحى لأنها "تشمل كل شيء ويفهمها كل العرب"، مع إلمامه ببعض اللهجات الشامية والمصرية.
ويلفت فايدنر إلى أن الاهتمام بالعربية في ألمانيا ازداد بشكل ملحوظ، فبعد أن كان عدد الطلاب في صفوف العربية الجامعية قليلا في التسعينيات، أصبح اليوم يصل إلى 50 طالبا أو أكثر، لأسباب سياسية وثقافية.
التحوّل إلى السياسةتحول اهتمام فايدنر من الأدب إلى السياسة جاء على خلفية التوترات المتصاعدة بين الغرب والعالم الإسلامي، ليصدر كتبا ومؤلفات تناقش جدلية الشرق والغرب، ونقد مفهوم الغرب، والتحذير من الإسلاموفوبيا، وقضايا الهجرة.
في كتابه "ثورة العقل"، يرصد فايدنر التحولات العميقة في العالم الإسلامي بعد أحداث 11 سبتمبر، وصولا إلى الربيع العربي عام 2011، محللا التحديات والفرص التي تواجه العالم الإسلامي في هذا العصر المضطرب.
يتطرق فايدنر إلى مفهوم الاستشراق، معترفا بالحمولة السلبية التي ارتبطت به تاريخيا، من استغلال المعرفة للسيطرة على الشعوب، لكنه يؤكد على الجانب الإيجابي المتمثل في "الاهتمام بالآخر والثقافات الأخرى"، مع التركيز على أهمية المعرفة الخالية من أغراض السيطرة والتجسس.
ويؤكد فايدنر أن الاستشراق الألماني تميز عن نظيره في الدول الاستعمارية، حيث لم يحظَ بدعم حكومي مباشر، ولم يكن المستشرقون الألمان موظفين استعماريين، بل كانوا باحثين وأكاديميين يسعون إلى فهم الآخر بعُمق وموضوعية.
ويتذكر فايدنر رحلته إلى المغرب عام 1985، والتي يعتبرها "بداية عشقه للعربية واهتمامه بالثقافة العربية"، حيث اكتشف تاريخ المغرب الأندلسي، والبعد الروحي الصوفي، وجماليات اللغة العربية، وتأثيرها العميق على ثقافات أخرى.
إعلانفي المغرب، اكتشف فايدنر أيضا ابن عربي، الذي أصبح محور اهتمامه وترجماته، معتبرا إياه "قامة فلسفية عميقة وجميلة وخيالية"، وقد ترجم ديوان "ترجمان الأشواق" لابن عربي إلى الألمانية، في مسعى لنقل "المشاعر" و"القوة العاطفية" و"الطاقة الشعرية" في الترجمة.
الترجمة الحقيقيةيؤكد فايدنر أن الترجمة الحقيقية هي "فن وإبداع"، وليست مجرد ترجمة حرفية آلية، مشيرا إلى أن الاستشراق في ألمانيا بدأ بالاهتمام بالتوراة والإنجيل، ثم تطور إلى اكتشاف قيمة اللغة العربية والثقافة العربية بشكل مستقل.
ويشير إلى أن شعراء ألمان كبار، مثل غوته، اهتموا بالأدب العربي وقدموه للجمهور الألماني، وديوان "الديوان الشرقي الغربي" لغوته يشهد على هذا الاهتمام، لكنه يرى أن الأدب العربي لا يزال لا يحظى بالمكانة التي يستحقها في الغرب بشكل كامل.
ويوضح فايدنر أن بداياته في الترجمة كانت مدفوعة باكتشافه قلة الترجمات العربية إلى الألمانية، خاصة في مجال الشعر، معتبرا أن حصول نجيب محفوظ على جائزة نوبل، مع وجود كتاب واحد فقط مترجم له بالألمانية، كان "عيبا" في حق الثقافة الألمانية.
عمل فايدنر على تغيير هذا الوضع، فنشر ترجمات في مجلات صغيرة، وتعاون مع شعراء عرب في المنفى، وأسس مجلة "فكر وفن" التي نشرت باللغات العربية والألمانية والفارسية والإنجليزية، لتكون جسرا بين الثقافات.
وفي مقارنة بين الثقافة العربية والفارسية في ألمانيا، يرى فايدنر أن الأدب الفارسي كان أكثر شهرة سابقا، لكن الوضع تغير، معتبرا أن تفضيل الأدب الفارسي أحيانا كان نابعا من "أحكام مسبقة" ونوع من "العنصرية" تجاه الثقافات السامية.
يتطرق فايدنر إلى "العقدة الصهيونية" وتأثيرها على علاقة ألمانيا بالعالم العربي، مشيرا إلى "ظاهرة غريبة" تتمثل في معاداة السامية التي تقترب من الإسلاموفوبيا، معتبرا أن جذور الرفض التاريخي لليهود والعرب في أوروبا متشابهة.
إعلان عنصرية الأوروبيينويرى فايدنر أن الحضارة الأوروبية، رغم انفتاحها المعلن، لا تزال تعاني من "كراهية الآخر" و"الانغلاق والتخوف"، وهو ما يظهر في رفض بعض الأوروبيين للاندماج الحقيقي مع المهاجرين العرب والمسلمين.
ينتقد فايدنر الرؤية التي تطلب "الاندماج الكامل" للمهاجرين بمعنى التخلي عن هويتهم السابقة، معتبرا إياها "فكرة عنصرية" مبنية على "فهم خاطئ للإسلام والإنسان العربي"، مؤكدا أن القِيم الأساسية للإنسان العربي والمسلم قريبة جدا من القيم الأوروبية.
ويشدد فايدنر على أن "المشكلة في فهم الإسلام"، وارتباطه في أذهان الكثيرين بـ"الإرهاب"، وهو ما يغذيه الإعلام و"عدم المعرفة"، داعيا إلى تجاوز هذه الأحكام المسبقة من خلال الترجمة والاحتكاك الثقافي والسفر إلى العالم العربي.
ويرى فايدنر أن النموذج الفرنسي والنمساوي ربما يسيطر حاليا على نظرة أوروبا للآخر، لكنه يؤكد أن أوروبا منقسمة، وأن الرؤية "النيوليبرالية" هي المهيمنة، مع ضعف الديمقراطية وتأثير "الأحكام المسبقة" على خيارات الناخبين.
وفي نصيحة للأوروبيين، يدعو فايدنر إلى "دراسة التاريخ الإسلامي" ومقارنته بالتاريخ الأوروبي، لاكتشاف "العلاقات الكثيرة" والتقارب بين الثقافتين، وللعرب والمسلمين في أوروبا، وينصح بـ"محاولة جعل الأوروبيين يفهمون العرب" واكتشاف ثقافتهم وتاريخهم بأنفسهم.
ويرفض فايدنر مقولة "المسلم الطيب هو الذي يترك إسلامه"، معتبرا إياها "مركزية في العقلية والنظرة الأوروبية"، وينتقد تصريح ماكرون بأن "الإسلام في أزمة"، مؤكدا أن "الأزمة الأوروبية ربما أكبر من الأزمة الإسلامية".
وعن الربيع العربي، يرى فايدنر أن "التطور مؤسف جدا"، لكنه يحمل "بذرة لمستقبل أحسن ومختلف"، فتشرد العرب أدى إلى "نشاط" كبير للفنانين والأدباء والصحفيين العرب في أوروبا والعالم، مع شعور متزايد بالمسؤولية تجاه العالم العربي والإسلامي.
إعلان 31/3/2025
قبل انطلاقه غدا.. أعضاء لجنة تحكيم مهرجان SITFY-Georgia يصلون مطار تبيلسي