مادة COF جديدة ترفع كفاءة توليد الهيدروجين وتطيل عمر الشحن

مادة جديدة من الأطر العضوية التساهمية (COF) المُرفقة بمجموعة الكومارين، طوّرها باحثون في معهد Ningbo Institute of Materials Technology and Engineering التابع للأكاديمية الصينية للعلوم (NIMTE)، تمهّد الطريق لاستخلاص الهيدروجين من الماء باستخدام ضوء الشمس. وفي ظل سعي العالم إلى التحرر من الوقود الأحفوري، تكتسب مصادر الطاقة المتجددة مثل طاقة الرياح والطاقة الشمسية أهمية متزايدة. فقد أُنشئت محطات توليد كبيرة لتوفير طاقة خالية من الكربون للشبكات الكهربائية. غير أن الكهرباء الناتجة عن هذه المصادر لا يمكن أن تحل محل الوقود الأحفوري بالكامل في القطاعات التي تتطلب كثافة طاقية عالية. وفي هذه الحالات، يتفوق الهيدروجين على مصادر الطاقة المتجددة، إذ يمكن حرقه مثله مثل أي وقود غني بالكربون، في حين لا يُنتج عنه سوى الماء كمنتج ثانوي، مع إطلاق كميات كبيرة من الطاقة.

غير أن إنتاج الهيدروجين قد يتسبب في انبعاثات كربونية مرتفعة، وهو ما دفع الباحثين إلى البحث عن طرق أفضل. ومن بين هذه الطرق استخدام ضوء الشمس لتفكيك جزيئات الماء إلى هيدروجين وأكسجين، وهو ما يُعرف تقنيًا باسم التحليل الضوئي للماء.

ولإجراء التفاعلات التحفيزية الضوئية، يستخدم العلماء عادةً الحفازات العضوية الضوئية، وهي مركبات أساسها الكربون قادرة على امتصاص الضوء المرئي أو فوق البنفسجي ورفع الإلكترونات إلى حالة الإثارة، مما يساعد على توليد الهيدروجين، وهو ما قد يسهم في معالجة أزمة الطاقة التي يواجهها العالم. إلا أن الإلكترونات والثقوب المتولدة في هذه العملية تتحد سريعًا مجددًا، مما يؤثر في الكفاءة العامة للتفاعل.

تحديات التحليل الضوئي للماء

لذلك، اتجه العلماء إلى الأطر العضوية التساهمية (COFs)، وهي بوليمرات مسامية تتشكل من جزيئات عضوية مرتبطة بروابط تساهمية قوية، وتتميز بقابلية عالية للتعديل. وفي COFs التقليدية، تقوم الروابط المرنة بحركات دورانية خارج المستوى، وهو ما يزيد من تبديد الطاقة ويُعد أحد أسباب انخفاض كفاءة عملية التحفيز. ومن ثم، تعاون باحثو NIMTE مع زملائهم في معهد الأبحاث في التكنلوجيا الفيزيائية والكيميائية التابع للأكاديمية الصينية للعلوم لإدخال روابط الكومارين المستوية الصلبة في COF مترافق بالكامل.

مزايا رابطة الكومارين

مقارنةً بالروابط التقليدية من نوع الإيمين والإيثيلين، تُظهر رابطة الكومارين صلابة conformationnelle أعلى وتكبح التذبذبات البنيوية. كما تعزز هذه الرابطة انفصال إلكترونات π، مما يساعد على نقل حاملات الشحنات لمسافات طويلة ويُضيّق فجوة الطاقة. ولاحظ الباحثون أن COF المُرفقة بالكومارين أظهرت فصلًا محسّنًا للشحنات، إذ استمرت حالة فصل الشحنات فيها مدة أطول بمقدار 1,000 مرة مقارنةً بنظيرتها المُرفقة بالإيمين. وعند استخدام جسيمات Pt النانوية كحفاز مساعد، انتقلت الإلكترونات المتولدة ضوئيًا من COF إلى Pt في غضون نحو 407 بيكوثانية، مما ساعد في توليد الهيدروجين.

إمكانات معدل توليد الهيدروجين

تحت照射 عند 440 nm، بلغ معدل توليد الهيدروجين لـ COF المُرفقة بالكومارين 531 mmol g⁻¹ h⁻¹، مع достиг quantum yield قدره 37.95% عند 405 nm. وتحت الضوء المرئي بطول موجة يتجاوز 420 nm، بلغ معدل توليد الهيدروجين المُحقق 166 mmol g⁻¹ h⁻¹، مما يُبرز إمكانات الإنتاج الشمسي للهيدروجين.

أوضح البروفيسور Zhang Tao من NIMTE في بيان صحفي: "يوفر هذا العمل استراتيجية بسيطة وفعّالة لضبط ديناميكيات الشحنات في COFs المترافقة من خلال هندسة الروابط، ويقدم رؤى لتصميم وتطبيق الحفازات العضوية الضوئية عالية الأداء في إنتاج الهيدروجين الشمسي."

نُشرت نتائج هذه الدراسة في مجلة Nature Synthesis.

أثر مادة COF الجديدة على إنتاج الهيدروجين

مع تصاعد الطلب العالمي على مصادر الطاقة المتجددة، تكتسب إمكانات الهيدروجين بوصفه وقودًا نظيفًا أهمية متزايدة. وقد نجح الباحثون، من خلال تطوير مادة COF جديدة، في رفع كفاءة توليد الهيدروجين بشكل فعّال، وهو ما لا يُسهم في الحد من انبعاثات الكربون فحسب، بل يعزز أيضًا توظيف مصادر الطاقة المتجددة. وتوفر COF المُرفقة بالكومارين، عبر تحسين كفاءة فصل الشحنات، مسارًا جديدًا لتطوير تقنيات التحفيز الضوئي، بما يشير إلى دور محتمل لها في مستقبل التحول الطاقي.