تقنية جديدة ستحل مشكلة ارتفاع تكلفة إنتاج الهيدروجين وستعزز كفاءة الإنتاج !

هناك توجه نحو “الهيدروجين الأخضر” كمصدر بديل للوقود و كنوع رئيسي من مصادر تخزين الطاقة المولدة من المصادر المتجددة كالشمس والرياح وغيره. وتعول الكثير من الدول التي أعلنت مشاريع استثمارية ضخمة لإنتاج الهيدروجين (الأمونيا) كاستراليا والمملكة العربية السعودية في نيوم وغيرها على استخدام هذه الطرق كونها أكثر صداقة للبيئة لتوليد الهيدروجين والذي في الغالب اليوم يتم إنتاجه عن طريق تسخين البخار والميثان باستخدام الوقود الاحفوري. ولكن مازالت خفض تكلفة الإنتاج و رفع الكفاءة أحد أهم الأمور التي يجب التغلب عليها.

كل التقنيات المتاحة لإنتاج الهيدروجين تعتمد بشكل رئيسي على المحللات أو المحفزات التي تقوم بتحليل الماء إلى أكسجين وهيدروجين. ومن ضمن أهم التقنيات الموجودة هي تقنية الأقطاب الكهربائية الضوئية التي تستخدم لتقسيم المياه بالطاقة الشمسية.

ولكن للأسف على مدى عقود لم يستطيع الباحثون في جميع أنحاء العالم على خفض تكلفة إنتاج الهيدروجين عن طرق استخدام الطاقة الشمسية لإنتاج الهيدروجين وذلك بتقسيم جزيئات الماء لتكوين الهيدروجين والأكسجين. وفي الغالب المحاولات التي توصلت لخفض التكلفة فشلت في الحفاظ على الكفاءة و أدت إلى ضعف الأداء لهذه المحللات.

ولهذا قدم باحثون من جامعة تكساس في أوستن طريقة مبتكرة لإنتاج الهيدروجين باستخدام ضوء الشمس بتكلفة منخفضة التكلفة وبكفاءة عالية. مايعني أن هذا الاكتشاف سيحدث نقلة نوعية في عالم الطاقة وسيكون من السهل جعله كجزء أساسي من البنية التحتية للطاقة لدينا وسيحل المعادلة المعقدة التي يعمل عليها العلماء منذ عقود.

منذ مطلع السبعينيات ، كان الباحثون يدرسون إمكانية استخدام الطاقة الشمسية لتوليد الهيدروجين. لكن عدم القدرة على العثور على مواد تتمتع  بمجموعة من الخواص اللازمة لإجراء التفاعلات الكيميائية بكفاءة كان العائق الرئيسي في انتشار هذه التقنية من توليد الهيدرجين. كون تقسيم جزئيات الماء إلى هيدروجين وأكسجين يتطلب توفر مواد فعالة في امتصاص ضوء الشمس وفي نفس الوقت لا تتحلل أثناء حدوث تفاعلات تقسيم الماء. ولكن معظم المواد جيدة الأمتصاص لضوء الشمس في الغالب تكون غير مستقرة في ظل الظروف المطلوبة لتفاعل تقسيم الماء بينما المواد المستقرة في التفاعل امتصاصها لأشعة الشمس ضعيف. هذه المتطلبات المتضاربة كانت هي العائق الرئيسي لاستخدام أشعة الشمس لتحليل الماء وإنتاج الهيدروجين.

ورغم التحدي استطاع الباحثون مؤخرا إيجاد مواد تحل هذا التعارض كونها تعتبر: 1. مادة تمتص أشعة الشمس بكفاءة ، مثل السيليكون 2. ومادة أخرى تتمتع بثبات جيد ، مثل ثاني أكسيد السيليكون. ومع ذلك ، هذا الجمع بين هاتين المادتين خلق تحديًا آخر وهو أن يجب أن تكون الإلكترونات والثقوب الناتجة عن امتصاص ضوء الشمس في السيليكون قادرة على التحرك بسهولة عبر طبقة ثاني أكسيد السيليكون. هذا يتطلب عادةً ألا تزيد طبقة ثاني أكسيد السيليكون عن بضعة نانومترات ، مما يقلل من فعاليتها ويرفع تكلفة انتاجها.

 Soonil Lee, nature communications, 2021©

شكل توضيحي لقنوات التوصيل قبل وبعد تطوير الأقطاب الكهروضوئية

ولحل هذه المشكلة قدم الباحثون من جامعة تكساس في أوستن طريقة لإنشاء مسارات موصلة للكهرباء من خلال طبقة سميكة من ثاني أكسيد السيليكون بتكلفة منخفضة وذلك عن طريق طلاء طبقة ثاني أكسيد السيليكون بطبقة رقيقة من الألومنيوم ثم تسخين الهيكل بأكمله مما يشكل قنوات وصفائف سميكة من الألمنيوم تقوم بربط طبقة ثاني أكسيد السيليكون بالكامل و توفر ثباتًا عاليًا في القطب الكهروضوئي. مما يعزز سرعة التوصيل والتفاعل الكيميائي وبالتالي يرفع كفاءة إنتاج الهيدرجين و في نفس الوقت يخفض التكلفة كونه يمكن بعد ذلك استبدال رقائق الألومنيوم بسهولة بالنيكل أو المواد الأخرى التي تساعد في تحفيز تفاعلات تقسيم الماء مما يجعل وتوسيع نطاق تصنيعها بكميات كبيرة أمر سهل للغاية.

قدم الفريق طلب براءة اختراع مؤقتا لتسويق التكنولوجيا  وقد تم نشر البحث مؤخرا في Nature Communications.

يمكنكم مشاهدة الفيديو لفهم طريقة توليد الهيدروجين باستخدام الأشعاع الشمسي أو مايسمى المحفزات الضوئية لتحليل الماء.

لمعرفة المزيد حول الهيدروجين يمكنكم متابعة المقالة ماعلاقة الهيدروجين الأخضر بالأمونيا.

انقر هنا لمطالعة البحث .