تطوير إنتاج الهيدروجين الأخضر بنظام "تقسيم المياه".. تقنية واعدة (تقرير)
نوار صبح
تتواصل البحوث والدراسات حول تطوير إنتاج الهيدروجين الأخضر في أرجاء العالم، ومن أحدث هذه البحوث تطوير نظام كهروكيميائي ضوئي لإنتاج ذلك الوقود على يد باحثين لدى معهد أولسان الوطني للعلوم والتكنولوجيا (UNIST)، في كوريا الجنوبية.
ويعتمد نظام الباحثين المقترح على قطب موجب ضوئي مبتكر من ثلاثي يوديد الرصاص الفورميدينيوم (FAPbI3) قائم على البيروفسكايت، مغلف بمحفز كهربائي من رقائق النيكل/ هيدروكسيد الحديد والنيكل.
وفي حالة تحقُّق ذلك باستعمال الطاقة الشمسية أو غيرها من مصادر الطاقة المتجددة، فقد يكون تقسيم المياه طريقة واعدة في إنتاج الهيدروجين الأخضر المستدام على نطاق واسع، وفق معلومات اطّلعت عليها منصة الطاقة المتخصصة.
وتبيّن للباحثين أن معظم أنظمة تقسيم المياه الكهروكيميائية الضوئية المقترحة، حتى الآن، إمّا غير فاعلة، أو غير مستقرة، أو صعبة التنفيذ على نطاق واسع، حسبما نشرته منصة "تك إكسبلور" (Tech Xplore) التي تغطي أحدث التطورات الهندسية والإلكترونية والتكنولوجية.
تحديات إنتاج الهيدروجين الأخضر الشمسي
قال أستاذ الطاقة والهندسة الكيميائية لدى معهد أولسان الوطني للعلوم والتكنولوجيا (UNIST)، في كوريا الجنوبية، المؤلف المشارك في البحث، جاي سونغ لي: "لقد قامت مجموعتنا بدراسة شاملة للتحديات المرتبطة بإنتاج الهيدروجين الشمسي"، حسبما نشرته منصة "تك إكسبلور" (Tech Xplore).
وأضاف "أن الحد الأدنى من كفاءة تحويل الطاقة الشمسية إلى الهيدروجين (STH) المقدّر بـ10% مطلوب لتطوير نظام كهروكيميائي ضوئي عملي قابل للتطبيق، ويُعدّ اختيار مادة فاعلة هو المعيار الأول له".
في المقابل، استعملت معظم المحاولات لتحقيق إنتاج الهيدروجين الأخضر الكهروكيميائي الضوئي، حتى الآن، أكاسيد فلزية مستقرة جوهريًا بصفتها مواد إلكترودات ضوئية لخلايا النظام الكهروكيميائي الضوئي.
استكشاف إمكانات الأقطاب الكهربائية الضوئية
استكشف بعض الباحثين إمكانات الأقطاب الكهربائية الضوئية القائمة على مواد من الدرجة الكهروضوئية، مثل السيليكون والبيروفسكايت والكالكوجينيدات وفئات مواد البورون والنيتروجين. وفق البحث المنشور في مجلة نيتشر إنرجي Nature Energy،
وعلى الرغم من أن هذه المواد معروفة بكفاءتها الاستثنائية، فإنها قد تكون في بعض الأحيان باهظة الثمن وغير مستقرة، خصوصًا عند وضعها في الماء، كما يحدث لدى إدخالها في خلايا نظام كهروكيميائي ضوئي لتقسيم الماء.
وقال أستاذ الطاقة والهندسة الكيميائية لدى معهد أولسان الوطني للعلوم والتكنولوجيا (UNIST)، في كوريا الجنوبية: "على عكس المواد الكهروضوئية الأخرى، يتمتع البيروفسكايت الهاليد المعدني بخصائص فريدة من نوعها ذات كفاءة عالية بتكلفة منخفضة، ويمكن أن تصبح مادة كهروضوئية بديلة إذا عولجت مشكلة استقرارها بشكل صحيح".
وأوضح "تتمتع مواد البيروفسكايت الهاليد المعدني بخصائص إلكترونية بصرية ممتازة وفجوة نطاق قابلة للضبط، وهي مطلوبة لتوفير التيار الكهروضوئي والجهد الضوئي اللازم لتقسيم الماء وإنتاج الأكسجين والهيدروجين في خلية نظام كهروكيميائي ضوئي واحدة."
وسعيًا منهم لابتكار أقطاب كهربائية ضوئية فاعلة تعتمد على مواد البيروفسكايت الهاليد المعدني HPs، كان على الباحثين أن يواجهوا تحديًا حاسمًا يتمثل في الحفاظ على استقرارها في الظروف الرطبة، وتحت ضوء الأشعة فوق البنفسجية.
ولتحقيق ذلك، حاولوا تثبيتها باستعمال تقنيات التغليف المعدني أو حماية المعادن، ومن خلال اعتماد البيروفسكايت ثلاثي يوديد الرصاص الفورميدينيوم FAPbI3 المستقر تحت الأشعة فوق البنفسجية.
وقال لي: "التحدي الآخر الذي يواجه التطبيقات العملية هو قابلية التوسع، أو بعبارة أخرى، الحفاظ على الكفاءة العالية للخلايا المختبرية (التي تكون أقل من 1 سنتيمتر مربع) في التطبيقات العملية واسعة النطاق (بمساحة متر مربع واحد)".
وأنشأ الباحثون، أولًا، نسخة صغيرة الحجم من نظامهم المقترح، استنادًا إلى قطب كهربائي ضوئي يقلّ حجمه عن 1 سم مربع.
في الاختبارات الأولية، حقّق هذا النظام كفاءة تحويل الطاقة الشمسية إلى الهيدروجين بنسبة 9.89% واستقرارًا طويل المدى.
وقال لي: "لقد قمنا بعد ذلك بتوسيع نطاق هذا الجهاز ذي المساحة الصغيرة ليصبح نظامًا كهروكيميائيًا ضوئيًا عمليًا بمساحة كبيرة باستعمال تصميم قائم على الوحدة".
وأوضح: "لقد فعلنا ذلك عن طريق اختيار جهاز مساحته 7.68 سم مربع بصفته وحدة أساسية صغيرة، وكررناه أفقيًا وعموديًا لتصنيع جهاز كبير الحجم."
ومن اللافت للنظر أن لي وزملاءه وجدوا أن رفع مستوى نظامهم لم يؤدِّ إلّا إلى الحدّ الأدنى من فقدان الكفاءة.
بالإضافة إلى ذلك، حافظ النظام الذي تمّت ترقيته على استقراره على المدى الطويل، ما يشير إلى أن تصميمه قابل للتوسعة بشكل كبير.
اقرأ أيضًا..
- تطورات سوق الغاز المسال والهيدروجين خلال 2023 في 18 رسمًا بيانيًا
- رئيس توتال إنرجي يهاجم الطاقة المتجددة.. بويانيه: العراق و4 دول تدعم إنتاجنا
- صادرات النفط في البحر الأحمر تواجه أزمة.. وهكذا تنقذ السعودية أوروبا (تقرير)
