حققت الصين إنجازاً جديداً في أبحاث تحويل المياه إلى وقود.

شرح الصورة

يفحص العلماء عينة من مادة محفزة ضوئية شبه موصلة معدلة من ثاني أكسيد التيتانيوم (TiO₂) في مركز شنيانغ لأبحاث المواد - معهد أبحاث المعادن التابع للأكاديمية الصينية للعلوم، في 7 أبريل/نيسان. الصورة: وكالة أنباء شينخوا

قبل ألف وخمسمائة عام، تنبأ كاتب الخيال العلمي جول فيرن بأن الماء سيصبح الوقود الأمثل للمستقبل. واليوم، يعمل العلماء على تحويل هذا التنبؤ إلى حقيقة.

قال ليو غانغ، مدير معهد أبحاث المعادن التابع للأكاديمية الصينية للعلوم ورئيس فريق البحث، إن مجموعة البحث العلمي الصينية حققت مؤخراً إنجازاً في مجال "التحليل الضوئي للماء لإنتاج الهيدروجين".

من خلال "إعادة الهيكلة" و"استبدال العناصر" في مادة أشباه الموصلات المحفزة ضوئياً ثاني أكسيد التيتانيوم (TiO₂)، قام الفريق بتحسين كفاءة توليد غاز الهيدروجين مباشرة من ضوء الشمس بشكل كبير.

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

يوجد حاليًا طريقتان رئيسيتان لإنتاج الهيدروجين من الطاقة الشمسية.

تتمثل إحدى الطرق في استخدام الألواح الشمسية لتوليد الكهرباء، ثم تحليل الماء كهربائياً - على الرغم من كفاءتها العالية، إلا أن المعدات معقدة ومكلفة.

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

ركز فريق ليو غانغ أبحاثه على الطريقة الثانية.

بحسب التفسير، تواجه الطريقة التقليدية لاستخدام ثاني أكسيد التيتانيوم لتحليل الماء عقبة رئيسية: فعندما يسقط الضوء على ثاني أكسيد التيتانيوم، تتولد جسيمات مشحونة (إلكترونات وفجوات) داخله، وهي "الأدوات" اللازمة لتحليل الماء. إلا أن هذه الإلكترونات والفجوات غير مستقرة.

أوضح ليو غانغ قائلاً: "الإلكترونات والفجوات أشبه بسيارات سباق ضلت طريقها، فاصطدمت عشوائياً في متاهة من الهياكل المادية؛ ومعظمها سيتحد ويختفي في غضون جزء من مليون من الثانية. علاوة على ذلك، غالباً ما تتسبب عمليات التصنيع في درجات حرارة عالية في "مغادرة" ذرات الأكسجين لمواقعها، مما يخلق فراغات أكسجين ويحبس الإلكترونات، وكل ذلك يقلل من كفاءة التفاعل التحفيزي الضوئي."

للتغلب على هذه المشكلة، أدخل فريق البحث بشكل مبتكر عنصرًا "مجاورًا" للتيتانيوم في الجدول الدوري - وهو السكانديوم (Sc) - لتحسين ثاني أكسيد التيتانيوم. وأظهرت النتائج أن للسكانديوم ثلاث مزايا رئيسية:

أولاً، نصف القطر الأيوني لعنصر السكانديوم قابل للمقارنة مع نصف القطر الأيوني لعنصر التيتانيوم، لذلك يمكن تضمينه في الشبكة البلورية دون تشويه البنية.

ثانياً، تساعد حالة التكافؤ المستقرة لعنصر السكانديوم على تحييد عدم توازن الشحنة الناتج عن فجوة الأكسجين.

ثالثًا، يمكن لأيونات السكانديوم إعادة هيكلة سطح البلورة، مما يخلق بنية سطحية خاصة، تشبه إلى حد كبير بناء "الطرق السريعة والتقاطعات للإلكترونات والفجوات الإلكترونية"، مما يساعدها على الهروب من المتاهة بسهولة أكبر.

بفضل التعديلات المتطورة، نجح الفريق في تصنيع ثاني أكسيد التيتانيوم بأداء متميز: فقد تجاوزت قدرته على امتصاص الأشعة فوق البنفسجية 30٪، وزادت كفاءة إنتاج الهيدروجين تحت ضوء الشمس المحاكي 15 مرة مقارنة بالمواد المماثلة، مما سجل رقماً قياسياً جديداً في هذا النظام المادي.

صرح السيد ليو غانغ قائلاً: "إذا تم استخدام هذه المادة لصنع لوحة تحفيز ضوئي مساحتها متر مربع واحد، فإنها تستطيع إنتاج حوالي 10 لترات من غاز الهيدروجين يوميًا تحت أشعة الشمس."

أضاف الباحثون أن ثاني أكسيد التيتانيوم مادة غير عضوية واسعة الاستخدام في الصناعة، حيث تُساهم الصين بأكثر من 50% من الإنتاج العالمي، ما يُشكل سلسلة صناعية متكاملة. كما تمتلك الصين أكبر احتياطيات في العالم من عنصر السكانديوم النادر. وهذا يُوفر ميزة صناعية محتملة لتطوير وتطبيق المواد المحفزة ضوئيًا في المستقبل.

مع استمرار تحسن كفاءة تحليل الماء الكهروضوئي، فإن هذه التقنية لديها القدرة على التطبيق في الإنتاج على نطاق صناعي، مما يدفع 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