العلماء الألمان يطورون محفزًا ضوئيًا جديدًا CALiK لزيادة كفاءة إنتاج الهيدروجين بنسبة 200%

طور العلماء الألمان محفزًا ضوئيًا جديدًا CALiK، من خلال تعديل ترتيب ذرات الليثيوم والبوتاسيوم بذكاء، مما أدى إلى زيادة إنتاج الهيدروجين بنسبة 200%. يعتمد هذا المحفز الضوئي على نيتريد الكربون، وهيكلها الفريد يمكّنها من الاستفادة بشكل أكثر فعالية من الضوء لإنتاج الهيدروجين. أظهرت الاختبارات المعملية أن إنتاج CALiK من الهيدروجين هو ثلاثة أضعاف المواد القياسية، مما يمثل زيادة بنسبة 200%. بالإضافة إلى ذلك، أداء هذا المحفز يتفوق على أفضل محفزات الليثيوم الفردية بحوالي 40%. أشارت الطالبة في معهد ماكس بلانك، آنا لو بريستي، إلى أن تحسين أداء المحفز يعود إلى ترتيب ذرات الليثيوم والبوتاسيوم.

وأكدت أن الموقع المكاني للأيونات له تأثير كبير على فعالية التحفيز. وأضافت بريستي: "لقد أثبتنا لأول مرة أن نوع الأيونات أو عددها ليسا فقط المهمين، بل إن موقعها في الشبكة أيضًا حاسم."

العوامل الرئيسية لتحسين أداء المحفز

الهيدروجين هو سائل عديم اللون والرائحة وله لزوجة خفيفة، ويستخدم على نطاق واسع كمطهر ومبيض وكمادة كيميائية صناعية. تعتمد عملية إنتاجه عادةً على طريقة الأنثراكوينون (المعروفة أيضًا باسم طريقة Riedl-Pfleiderer)، والتي تتطلب طاقة كبيرة وتتضمن عدة خطوات معالجة كيميائية. بالمقارنة، يستخدم التحفيز الضوئي الضوء لتحفيز التفاعلات الكيميائية لإنتاج الهيدروجين. يعتبر نيتريد الكربون خيارًا واعدًا في هذه العملية لأنه يمكنه امتصاص الضوء واستخدام طاقته لدفع التفاعلات الكيميائية. يعمل كل من آنا لو بريستي وكريستيان مارك بيلكانو في معهد ماكس بلانك على دراسة المحفز الضوئي CALiK.

الصورة/ Neubauer.

عملية تصنيع CALiK

ومع ذلك، عندما يمتص نيتريد الكربون الضوء، فإن الشحنات الناتجة تعيد التوحيد بسرعة، مما يقلل من كفاءة التحفيز. لفهم هذه المشكلة، أدخل العلماء الليثيوم والبوتاسيوم في هيكل نيتريد الكربون، مع التحكم في مواقع هذه الذرات. قاموا بإنشاء ترتيب ذري محدد لتحسين فصل الشحنات الناتجة عن الضوء. قال كريستيان M. بيلكانو من معهد ماكس بلانك: "لم نقم بزيادة كفاءة المحفز الضوئي من خلال تغيير التركيب الكيميائي، بل حاولنا تغيير طريقة ترتيب وحداته البنائية."

في عملية تصنيع المحفز، استخدم فريق البحث بلورات خاصة تحتوي على مركبات الكربون والنيتروجين وكلوريد الليثيوم كمواد أولية، حيث تم ترتيب مكونات هذه البلورات في هيكل ثلاثي الأبعاد منتظم. بعد ذلك، قاموا بتسخين هذه البلورات باستخدام كلوريد البوتاسيوم، مما أدى إلى إنشاء CALiK. وأكد بيلكانو أن هذه البلورات ليست اكتشافًا جديدًا، لكن استخدامها في إنتاج نيتريد الكربون هو أمر مبتكر. وأضاف: "ما يثير اهتمامنا هو أن المكونات الكيميائية التي تحتويها تتوافق مع المواد السلفية التي نستخدمها عادةً."

قارن فريق البحث بين CALiK ونيتريد الكربون المُعد تقليديًا وإصدار الليثيوم الفردي المعروف باسم CALi. وقد فوجئوا باكتشاف أن إنتاج CALiK من الهيدروجين هو ثلاثة أضعاف إنتاج المحفزات التقليدية، وأنه يتفوق على أفضل محفزات الليثيوم الفردية بنسبة 40% في إنتاج الهيدروجين. تشير هذه الاكتشافات إلى أن الترتيب الدقيق للذرات مهم مثل التركيب الكيميائي للمحفز. وخلص بيلكانو في بيان صحفي إلى أن "الفرق الرئيسي هو أن هذه الأيونات مرتبة بطريقة محددة، ونود أن نعرف ما إذا كان يمكن نقل هذا الترتيب إلى مواد نيتريد الكربون."

تم نشر هذه الدراسة في مجلة Advanced Materials.

ابتكارات المحفز الجديد وآفاق تطبيقه

تظهر تطوير CALiK أهمية ترتيب الذرات في تصميم المحفزات، وقد يقود هذا الاكتشاف اتجاهات البحث المستقبلية في مجال المحفزات. غالبًا ما تركز تصميمات المحفزات التقليدية على تغيير المكونات الكيميائية، بينما يعزز CALiK الكفاءة من خلال تعديل مواقع الذرات، مما يوفر أفكارًا جديدة للابتكار في المحفزات. بالإضافة إلى ذلك، يساعد تطوير تقنيات التحفيز الضوئي في تقليل استهلاك الطاقة لإنتاج الهيدروجين، مما يتماشى مع متطلبات التنمية المستدامة، وله أهمية كبيرة في حماية البيئة والتطبيقات الصناعية.