الصين تحقق اختراقا جديدا في أبحاث تحويل الماء إلى وقود

تعليق الصورة

يقوم العلماء باختبار عينة من محفز ضوئي شبه موصل من ثاني أكسيد التيتانيوم (TiO₂) بعد تحسينه في مختبر مركز أبحاث المواد في شنيانغ التابع لمعهد أبحاث المعادن التابع للأكاديمية الصينية للعلوم في 7 أبريل. الصورة: شينخوا

قبل 150 عامًا، تنبأ كاتب الخيال العلمي جول فيرن بأن الماء سيصبح الوقود الأمثل للمستقبل. واليوم، يعمل العلماء على تحويل هذا التوقع إلى واقع.

قال ليو جانج، مدير معهد أبحاث المعادن التابع للأكاديمية الصينية للعلوم ورئيس فريق البحث، إن فريق البحث العلمي الصيني حقق مؤخرًا تقدمًا كبيرًا في مجال "تقسيم الماء الضوئي لتوليد الهيدروجين".

ومن خلال "إعادة الهيكلة" و"استبدال العناصر" في مادة أشباه الموصلات الضوئية ثاني أكسيد التيتانيوم (TiO₂)، تمكن الفريق من تحسين كفاءة توليد غاز الهيدروجين مباشرة من ضوء الشمس بشكل كبير.

ونشرت نتائج البحث ذات الصلة في مجلة الجمعية الكيميائية الأمريكية في 8 أبريل.

في الوقت الحالي، هناك طريقتان رئيسيتان لإنتاج الهيدروجين من الطاقة الشمسية.

الطريقة الأولى هي استخدام الألواح الشمسية لتوليد الكهرباء، ثم تحليل المياه بالكهرباء - وعلى الرغم من الكفاءة العالية فإن المعدات معقدة ومكلفة.

الطريقة الثانية هي التحليل الضوئي المباشر باستخدام ضوء الشمس - باستخدام مواد شبه موصلة مثل ثاني أكسيد التيتانيوم "لتقسيم الماء" تحت ضوء الشمس.

ركز فريق ليو جانج على الطريقة الثانية.

وفقًا للمقدمة، تواجه الطريقة التقليدية لاستخدام ثاني أكسيد التيتانيوم لفصل الماء عقبة كبيرة: فعند تسليط الضوء عليه، يُولّد جسيمات مشحونة كهربائيًا (إلكترونات وثقوب إلكترونية) داخله، وهذه الجسيمات هي "أدوات" فصل الماء. ومع ذلك، فإن هذه الإلكترونات والثقوب الإلكترونية غير مستقرة.

أوضح ليو غانغ قائلاً: "تُشبه الإلكترونات والفجوات سيارات السباق التي ضلّت طريقها، وتصطدم عشوائيًا في متاهة تُشكّل بنية المادة؛ حيث يتحد معظمها ويختفي في غضون جزء من مليون من الثانية. إضافةً إلى ذلك، غالبًا ما تُؤدي عملية التصنيع عالية الحرارة إلى "خروج" ذرات الأكسجين من مكانها، مما يُولّد فراغات في الأكسجين ويؤدي إلى التقاط الإلكترونات، وكل ذلك يُقلل من كفاءة التفاعل التحفيزي الضوئي".

للتغلب على هذه المشكلة، أدخل فريق البحث، بطريقة مبتكرة، عنصرًا مجاورًا للتيتانيوم في الجدول الدوري، وهو سكانديوم (Sc)، لتحسين ثاني أكسيد التيتانيوم. أظهرت النتائج أن عنصر سكانديوم يتميز بثلاث مزايا رئيسية:

أولاً، يشبه نصف القطر الأيوني لـSc نصف القطر الأيوني لـTi، لذا يمكن دمجه في الشبكة البلورية دون تشويه البنية.

ثانيًا، تساعد الحالة التكافؤية المستقرة لـSc على تحييد اختلال توازن الشحنة الناجم عن شغور الأكسجين.

ثالثًا، يمكن للأيونات الصاعدة إعادة هيكلة سطح البلورة، مما يؤدي إلى إنشاء بنية سطحية خاصة، مثل بناء "طرق سريعة وتقاطعات للإلكترونات والثقوب الإلكترونية"، مما يساعدها على الهروب من المتاهة بسلاسة.

بفضل التعديلات المتطورة، نجح الفريق في إنشاء مادة ثاني أكسيد التيتانيوم ذات الأداء المتميز: حيث تجاوزت القدرة على امتصاص الأشعة فوق البنفسجية 30٪، وزادت كفاءة توليد الهيدروجين تحت أشعة الشمس المحاكاة 15 مرة مقارنة بنفس المادة، مما حقق رقمًا قياسيًا جديدًا في نظام هذه المادة.

وقال ليو جانج: "إذا تم استخدام هذه المادة لصنع لوحة ضوئية تحفيزية مساحتها متر مربع واحد، تحت أشعة الشمس، فيمكنها إنتاج حوالي 10 لترات من غاز الهيدروجين يوميًا".

وأضاف الباحثون أن ثاني أكسيد التيتانيوم مادة غير عضوية تُستخدم على نطاق واسع في الصناعة، حيث يُمثل إنتاج الصين منه أكثر من 50% من إنتاج العالم، مُشكلاً بذلك سلسلة صناعية متكاملة. وفي الوقت نفسه، تحتل الصين المرتبة الأولى عالميًا في احتياطيات العناصر الأرضية النادرة، مثل الإسكنديوم. وهذا يُتيح ميزة صناعية مُحتملة لتطوير وتطبيق المواد المُحفزة ضوئيًا في المستقبل.

ومع استمرار تحسن كفاءة تقسيم المياه بالطاقة الشمسية، فإن هذه التكنولوجيا سيكون لها القدرة على التطبيق على نطاق صناعي، مما يعزز تحول هيكل الطاقة العالمي.

المصدر: https://baotintuc.vn/khoa-hoc-cong-nghe/trung-quoc-dat-dot-pha-moi-trong-tien-trinh-nghien-cuu-bien-nuoc-thanh-nhien-lieu-20250409112539937.htm