«ورقة شجر اصطناعية» شمسية تنتج الهيدروجين من مياه البحر وتفكك الهيدرازين السام

بنى باحثون في جامعة نانيانغ التكنولوجية (NTU) في سنغافورة جهازًا يعمل بالطاقة الشمسية ينتج الهيدروجين من مياه البحر بينما يفكك الهيدرازين، وهو ملوّث شديد السمية في مياه الصرف الصناعي. وتُفصَّل الدراسة في مجلة «نيتشر كوميونيكيشنز» (Nature Communications).

يطلق الفريق على هذا التصميم، الذي يمثل إثباتًا للمفهوم، اسم «ورقة الشجر الاصطناعية»: فهو يجمع خلية شمسية مصغّرة ومحلّلًا كهربائيًا ونظامًا لمعالجة مياه الصرف في جهاز واحد. وقد استُلهم من أوراق الشجر الحقيقية التي تستخدم ضوء الشمس لدفع التفاعلات الكيميائية.

مشكلتان تُحلّان بجهاز واحد

في الاختبارات، عمل الجهاز بثبات لأكثر من 72 ساعة وأنتج الهيدروجين بمعدل 466 ميكرومول لكل سنتيمتر مربع في الساعة. وفي تجربة منفصلة، خفّضت نسخة أكبر تركيز الهيدرازين في مياه ملوثة من 0.5 مولار (نحو 1.6% بالوزن) إلى 0.5 جزء في المليار في نحو 30 ساعة. وهذا أقل بأكثر من 20 مرة من حد وكالة حماية البيئة الأمريكية البالغ 10 أجزاء في المليار الذي أشار إليه الباحثون.

«يمثل هذا الجهاز ثنائي الوظيفة قفزة كبيرة إلى الأمام في التكنولوجيا البيئية»، قالت البروفيسورة ليديا وونغ، إحدى الباحثات. «من خلال الاستفادة بكفاءة من الطاقة الشمسية لتفكيك ملوّث صناعي سام وفي الوقت نفسه الحصول على وقود نظيف، فإننا نحلّ مشكلة الطاقة ومشكلة التلوث معًا».

كيف تعمل الكيمياء

يفصل التحليل الكهربائي الماء إلى هيدروجين وأكسجين باستخدام الكهرباء: يتكوّن الهيدروجين عند القطب السالب (الكاثود) والأكسجين عند القطب الموجب (الأنود). وغالبًا ما يُطلق الأكسجين ببساطة، فيذهب قدر كبير من الطاقة إلى منتج «نفاية». ومياه البحر جذابة كمادة خام لأنها وفيرة، لكن الكلوريد فيها يتسبب في تآكل الأقطاب وقد يطلق تفاعلات تنتج مركبات كلور سامة.

استبدل فريق NTU إنتاج الأكسجين عند الأنود بتفكيك الهيدرازين. يحوّل محفّز خاص الهيدرازين إلى غاز النيتروجين ويولّد أيضًا هيدروجين إضافيًا. ويتطلب تفكيك الهيدرازين طاقة أقل بكثير من إنتاج الأكسجين، ولذلك يصبح إنتاج الهيدروجين عند الكاثود أكثر كفاءة في استهلاك الطاقة. ويحتوي المحفّز على الحديد والكوبالت والكروم، ما يجعله مقاومًا للتآكل ويساعد على كبح مركبات الكلور السامة.

كاثود من البيروفسكايت يغذّي نفسه بنفسه

صُنع الكاثود من بيروفسكايت هاليد الرصاص، وهي أشباه موصلات تمتص الضوء وتحوّله إلى كهرباء. وهذا يتيح للجهاز العمل دون مصدر طاقة خارجي. والبيروفسكايت عرضة للتلف بفعل الرطوبة والمواد الكيميائية القاسية، لذا حماه الباحثون بطبقة من الإيبوكسي الموصل تحتوي على جسيمات من الفضة والنحاس، وبرقاقة من التيتانيوم تمنع الماء وتسمح بمرور الشحنة. وقد طُلي التيتانيوم بطبقة رقيقة من البلاتين للمساعدة في إنتاج الهيدروجين.

ظروف الاختبار والنتائج

وُضع الجهاز في محاليل قلوية من مياه البحر المحاكاة والحقيقية مع إضافة الهيدرازين، تحت إضاءة اصطناعية تعادل شدة ضوء الشمس في يوم صافٍ. وفي الحالتين ولّد كثافة تيار ضوئي تبلغ نحو 25 مللي أمبير لكل سنتيمتر مربع، وهي من أعلى القيم المسجلة للكاثودات الضوئية من بيروفسكايت الرصاص، دون أي كهرباء خارجية. وفي اختبار الهيدرازين، كبّر الفريق الكاثود الضوئي من 0.56 إلى 6.25 سنتيمتر مربع. كما شغّلوا الورقة في الهواء الطلق تحت ضوء الشمس الطبيعي ولاحظوا تكوّن فقاعات من الهيدروجين والنيتروجين، ما يُظهر أنها قادرة على العمل خارج إضاءة المختبر.

النتائج مصدرها نموذج أولي مخبري وليست نظامًا تجاريًا. المزيد في قسم التكنولوجيا لدينا.