إنشاء طاقة الهيدروجين من ضوء الشمس – الانقسام الضوئي التحفيزي

عرض باحثون من جامعة توهوكو ومؤسسات أخرى دراسة عن مواد يمكن أن تحسن فصل الماء بالتحفيز الضوئي لإنتاج الهيدروجين. تستغل هذه المقاربة ضوء الشمس للمساعدة في فصل الماء إلى هيدروجين وأكسجين. وإذا أمكن تطويرها خارج المختبر، فقد تسهم في إنتاج طاقة أنظف وتعمق فهم خصائص المواد المحفزة ضوئيًا.

كيف يعمل التحفيز الضوئي؟

يحدث التحفيز الضوئي عندما تمتص مادة محفزة الضوء، بما فيه الأشعة فوق البنفسجية في بعض الأنظمة، فتبدأ تفاعلًا كيميائيًا. ويمكن لهذه الطريقة تشغيل بعض العمليات باستخدام الطاقة الضوئية بدل الاعتماد على مدخلات إضافية. ويعد أكسيد التيتانيوم الرباعي (TiO₂) من المواد المحفزة ضوئيًا المستخدمة على نطاق واسع.

القيود الحالية

لا يزال تحويل هذه الفكرة إلى تقنية عملية يحتاج إلى مزيد من البحث. ومن التحديات انخفاض الكفاءة وإعادة اتحاد الإلكترونات مع الفجوات الموجبة بسرعة، ما يقلل عدد الشحنات المتاحة للتفاعل ويضعف الأداء.

إنتاج الهيدروجين بالتحفيز الضوئي

يُعد فصل الماء أحد التطبيقات التي يدرسها الباحثون. والهدف هو استخدام ضوء الشمس للمساعدة في إنتاج الهيدروجين والأكسجين من الماء. وإذا أصبحت العملية فعالة وقابلة للتوسع، فقد توفر مصدرًا للهيدروجين يمكن إنتاجه في أماكن متعددة.

الدراسة: طبقات جانوس غير المتجانسة

بحثت الدراسة¹ بعنوان «التصميم العقلاني لطبقات ثنائية الأبعاد غير متجانسة من ثنائي كالكوجينيدات الفلزات الانتقالية ونظائر جانوس لفصل الماء بكفاءة» في وسائل تحسين أداء المواد المحفزة ضوئيًا. وركزت على تركيبات من مواد ثنائية الأبعاد، بينها طبقات جانوس غير المتجانسة.

دور طبقات جانوس في فصل الماء

تتكون هذه الطبقات من مواد ثنائية الأبعاد تختلف خصائصها باختلاف ترتيبها واتجاهها. ويمكن لبعض التركيبات أن تولد استقطابًا داخليًا ومجالات كهربائية قوية تساعد على فصل الشحنات. ورغم تعدد التركيبات الممكنة، ركز الفريق على طبقات من ثنائي كالكوجينيدات الفلزات الانتقالية بتصميم جانوس.

المصدر: جامعة توهوكو

نظرية الكثافة الوظيفية

استخدم الباحثون حسابات نظرية الكثافة الوظيفية (DFT) لتحديد ترتيبات الذرات الواعدة. وساعدتهم النماذج على دراسة تأثير المجالات الكهربائية وحركة حوامل الشحنة وكيمياء السطح وفجوات الطاقة واتجاه المجالات الداخلية والخارجية.

اختبار تركيبات المواد

اختار الفريق 20 تركيبًا واعدًا للمقارنة، واستخدم نموذج تفاعل فروليش لفهم تأثير تشتت الفونونات وغيرها من العمليات في أداء التحفيز الضوئي.

نتيجة رئيسية: كفاءة 16.62% لتركيب WS₂–SMoSe

بعد مقارنة الخيارات العشرين، حدد الباحثون الطبقة غير المتجانسة WS₂–SMoSe بوصفها الأفضل أداءً في حساباتهم. وقدرت الدراسة كفاءة تحويل الطاقة الشمسية إلى هيدروجين بنحو 16.62% لهذا التركيب، وهي نتيجة أعلى من البدائل التي قارنتها الدراسة. وتظل النتيجة البحثية بحاجة إلى تطوير واختبار عملي قبل استخدامها تجاريًا.

أهمية البحث للطاقة النظيفة

قد يتيح تحسين فصل الماء باستخدام ضوء الشمس إنتاج الهيدروجين مع تقليل الاعتماد على مصادر الطاقة المسببة للانبعاثات. وتوضح الدراسة كيف يمكن الجمع بين مورد شمسي متجدد ومادة محفزة أكثر كفاءة لدعم أبحاث الوقود النظيف.

التطبيقات والجدول الزمني المحتمل

يمكن أن يكون للهيدروجين المنتج بهذه الطريقة استخدامات مستقبلية في تشغيل المركبات أو دعم إمدادات الطاقة. لكن الانتقال من نتائج المواد المحسوبة إلى نظام آمن وميسور للاستخدام المنزلي يتطلب خطوات بحثية وهندسية إضافية.

لم يحدد الباحثون موعدًا لطرح التقنية في السوق. وذكر المقال الأصلي تقديرًا غير مؤكد بأن أنظمة منزلية من هذا النوع قد تحتاج إلى خمس أو عشر سنوات على الأقل. ولا ينبغي اعتبار ذلك جدولًا زمنيًا معلنًا للمشروع؛ إذ يعتمد التطوير على نتائج الاختبارات والتكلفة ومتطلبات السلامة.

الباحثون المشاركون

شارك في الدراسة باحثون من جامعة توهوكو وجامعة العلوم التابعة لجامعة فيتنام الوطنية في مدينة هو تشي منه. وضمت قائمة المؤلفين نغوين توان هونغ وفو ثي هانه ثو، إلى جانب نغوين تران جيا باو وتون نو كوينه ترانغ ونام ثواي وثانغ باك فان.

ما الخطوة التالية؟

يحتاج الباحثون إلى مزيد من العمل لتطوير نظام عملي للتحفيز الضوئي. وتشمل الخطوات المقبلة اختبار أداء المواد في ظروف حقيقية، وتحسين سهولة الاستخدام، ثم دراسة إمكان تصغير النظام ودمجه في تطبيقات مناسبة.

الاستثمار في قطاع وقود الهيدروجين

تتنافس شركات عدة في قطاع وقود الهيدروجين، الذي توقع تقرير أن تبلغ قيمته 40.39 مليار دولار بحلول 2029. وتقدم هذه الشركات حلولًا لإنتاج الهيدروجين وتخزينه واستخدامه. وفيما يلي مثال على شركة تعمل في هذا السوق.

Plug Power

تأسست Plug Power (PLUG ) عام 1997 نتيجة تعاون بين DTE Energy (DTE ) وMechanical Technology لتطوير أنظمة خلايا وقود الهيدروجين. يقع مقرها في لاثام بولاية نيويورك، وكان يعمل لديها أكثر من 3,400 شخص عند نشر المقال.

قدمت الشركة أنظمة خلايا وقود تجارية لعملاء في الاتحاد الأوروبي، وعملت على تطبيقات للهيدروجين في قطاع الشاحنات. وتركز استراتيجيتها على توفير حلول متنوعة للطاقة النظيفة.

قد تستفيد Plug Power من توسع الطلب على بدائل الوقود الأحفوري خلال العقود المقبلة. وإذا طورت في المستقبل نظامًا عمليًا لفصل الماء بالتحفيز الضوئي، فقد يفتح ذلك مجالًا إضافيًا للشركة؛ لكن المقال لا يشير إلى منتج معلن من هذا النوع.

أحدث أخبار سهم Plug Power وتطوراته

فصل الماء ضوئيًا: خطوة بحثية نحو الهيدروجين النظيف

توضح الدراسة إمكانية تحسين إنتاج الهيدروجين من الماء بالجمع بين ضوء الشمس وتصميم مواد ثنائية الأبعاد. وقد وسعت فهم الباحثين لتأثير ترتيب الطبقات في كفاءة التفاعل، لكنها تمثل خطوة بحثية تحتاج إلى تجارب وتطوير قبل الوصول إلى تطبيقات واسعة النطاق.

اطلع على تطورات أخرى في الطاقة النظيفة هنا.

مرجع الدراسة:

^{1. Bao, N. T. G., Trang, T. N. Q., Thoai, N., Phan, T. B., Thu, V. T. H., & Hung, N. T. (2025). Rational design 2D heterobilayers transition-metal dichalcogenide and their Janus for efficient water splitting. ACS Applied Energy Materials, 8(8), 5209–5221. https://doi.org/10.1021/acsaem.5c00175}