فريق بحثي في جامعة ولاية أوريغون يطور مادة ضوئية حفازة جديدة تنتج الهيدروجين بكفاءة دون الحاجة إلى محفزات معدنية

أنشأ باحثون في جامعة ولاية أوريغون فئة جديدة من المواد المفعلة ضوئياً قادرة على إنتاج الهيدروجين من الماء، مما يوفر مساراً محتملاً أنظف من ضوء الشمس إلى الوقود. يستطيع هذا المحفز الضوئي إنتاج الهيدروجين بسرعة وكفاءة، ولا تتطلب المادة محفزات معدنية إضافية باهظة الثمن. قاد الدراسة كيرياكوس ستيليانو من كلية العلوم بالجامعة، وقد تقدم نتائج البحث أداة أخرى للحد من انبعاثات غازات الاحتباس الحراري ومواجهة تغير المناخ. يُستخدم الهيدروجين على نطاق واسع في خلايا الوقود، وتصنيع الأمونيا، وتنقية المعادن، وإنتاج البلاستيك.

يعمل المحفز الضوئي على تسريع التفاعلات الكيميائية دون أن يتغير بشكل دائم، وتستطيع المحفزات الضوئية تحقيق هذه الوظيفة عند تنشيطها بالضوء. أوضح ستيليانو أن المادة تصل إلى حالة طاقة أعلى بعد امتصاص الضوء، ويمكنها استغلال هذه الطاقة لدفع التفاعلات بسرعة أكبر. يكمن جوهر هذا البحث في الأطر المعدنية العضوية (MOFs)، وهي مواد بلورية مسامية تتكون من أيونات معدنية موجبة الشحنة وجزيئات ربط عضوية. تتيح مسامها الدقيقة وبنيتها القابلة للضبط للعلماء تحسين الأداء لأغراض مختلفة.

أشار ستيليانو إلى وجود ملايين من هياكل MOF المختلفة نظرياً، وقد نجح الكيميائيون في تصنيع ما يقرب من 100,000 نوع من MOFs، وتوقعوا خصائص حوالي 500,000 نوع آخر.

تميز BVR-19

ركز فريق البحث على نوع من MOF يسمى BVR-19. تحتوي هذه المادة على رابطة كبريتيدية غير معتادة تنكسر مؤقتاً تحت تأثير الضوء، منتجة أنواعاً كبريتية عالية التفاعلية. قال ستيليانو: "تقوم المكونات العضوية بالعمل الجوهري". لا تعتمد المادة بشكل رئيسي على الذرات المعدنية، بل تستفيد من وحدات البناء العضوية المحتوية على الكبريت لالتقاط طاقة الضوء ونقل الإلكترونات إلى عملية توليد الهيدروجين. وصف نهج التصميم هذا بأنه إعادة تفكير في كيفية تصميم مثل هذه المواد. يعني هذا التصميم أن BVR-19 لا يحتاج إلى محفزات معدنية إضافية باهظة الثمن، مما قد يبسط تطوير أنظمة الهيدروجين الموجهة ضوئياً في المستقبل.

علاوة على ذلك، تتشكل المادة تلقائياً في محاليل مائية عند درجة حرارة الغرفة، مما يقلل من الطاقة المطلوبة للتصنيع.

مقارنة مع طرق توليد الهيدروجين التقليدية

تعد عملية تفكيك الماء باستخدام المحفزات أنظف من الطريقة الصناعية السائدة — إعادة تشكيل الميثان بالبخار — التي تستخدم الغاز الطبيعي وتطلق ثاني أكسيد الكربون لإنتاج الهيدروجين. تعتمد طرق تفكيك الماء الحالية عادة على التحليل الكهربائي المحفز، وتعتمد فوائدها البيئية على مصدر الكهرباء. وللحفاظ على الاستدامة والقدرة التنافسية اقتصادياً، يجب أن تأتي هذه الكهرباء من مصادر متجددة منخفضة التكلفة. لا تزال التكلفة عائقاً: ينتج إعادة تشكيل الميثان بالبخار الهيدروجين بحوالي US$1.50 للكيلوغرام (نحو HK$12)، بينما تبلغ تكلفة الهيدروجين الأخضر حوالي US$5 للكيلوغرام (نحو HK$39).

قال ستيليانو، مدير مختبر اكتشاف المواد في جامعة ولاية أوريغون، إن هذا البحث يوفر مخططاً لتصميم مواد تخفض تكلفة الهيدروجين الأخضر. من خلال تغيير المعدن مع إبقاء باقي المادة كما هي تقريباً، فهم فريقه سبب تفوق بعض إصدارات MOF على غيرها بكثير. تقدم هذه النتائج معايير تصميم جديدة لإنشاء مواد أكثر فعالية لإنتاج الوقود الشمسي. حظي بحثهم بدعم من مؤسسة مردوك الخيرية، والمؤسسة الوطنية للعلوم، وكلية العلوم في جامعة ولاية أوريغون. عنوان الورقة البحثية هو "نقل الشحنة داخل الليجاند في الأطر المعدنية العضوية يعزز توليد الهيدروجين الموسط بجذور أنيونية حرة".

ساهم إيمانويل موسى وأعضاء آخرون في المختبر، بالإضافة إلى عدد من باحثي جامعة ولاية أوريغون، في هذا العمل. نُشر البحث في "مجلة الجمعية الكيميائية الأمريكية".

تأثير المادة الجديدة على إنتاج الهيدروجين

يكمن اختراق هذه الدراسة في تطوير مادة ضوئية حفازة لا تتطلب محفزات معدنية، وهذا لا يقلل تكلفة الإنتاج فحسب، بل يعزز الاستدامة البيئية أيضاً. تعتمد طرق توليد الهيدروجين التقليدية في الغالب على الوقود الأحفوري، وتطلق ثاني أكسيد الكربون، مما يشكل عبئاً على البيئة. وقد يعزز تطبيق المادة الجديدة انتشار الهيدروجين الأخضر، ويدفع تطوير الطاقة المتجددة. مع تزايد الطلب على الطاقة النظيفة، تكتسب هذه المادة أهمية خاصة، وتوفر إمكانيات جديدة لتحول الطاقة في المستقبل.