الاستدامة
كربيد السيليكون يتحسن كمرشح للتحفيز الضوئي للهيدروجين
أضف Securities.io إلى مصادرك المفضلة على Google
لماذا يُعد الهيدروجين أساسيًا لإزالة الكربون
مع استمرار السعي لإزالة الكربون من أنظمة الطاقة لدينا، يتضح أن بعض العمليات قد تحتاج إلى أكثر من مجرد الكهرباء الخضراء. قد يكون هذا صحيحًا للنقل، خاصةً للمهام الثقيلة مثل الحافلات والشاحنات، وبالتأكيد صحيحًا للشحن والطيران، ومطلوب أيضًا للصناعات الثقيلة مثل صناعة الصلب وإنتاج المواد الكيميائية.
السبب هو أن بعض التطبيقات تحتاج إما إلى احتراق شديد الحرارة (المعادن)، أو توفير ذرات هيدروجين طاقة دون استخدام الميثان (الصناعة الكيميائية)، أو وقود عالي الكثافة الطاقية (الشحن)، وهو ما لا تتناسب معه الطاقة الكهربائية والبطاريات.
“يمكن للسيارات الخاصة أن تحتوي على بطارية، لكن الشاحنات الثقيلة أو السفن أو الطائرات لا يمكنها استخدام بطارية لتخزين الطاقة. لهذه وسائل النقل، نحتاج إلى إيجاد مصادر طاقة نظيفة ومتجددة، والهيدروجين مرشح جيد.”
Jianwu Sun – أستاذ مشارك في جامعة لينكوبينغ
لهذا السبب كان الباحثون والنشطاء المناخيون يفكرون في الهيدروجين الأخضر، الذي يُنتج دون الوقود الأحفوري، كبديل. المشكلة هي أن إنتاج الهيدروجين الأخضر لا يزال مكلفًا جدًا حتى يسمح بالاعتماد الجماعي مقارنة بالوقود الأحفوري.
كيف نحل تحدي إنتاج الهيدروجين الأخضر
حتى الآن، معظم طرق إنتاج الهيدروجين تعتمد على طريقة من خطوتين:
- أولاً، إنتاج طاقة خضراء باستخدام الطاقة الشمسية أو الرياح أو الطاقة المائية أو أي شكل آخر من أشكال الطاقة المتجددة.
- ثانيًا، استخدام هذه الكهرباء الخضراء لتشغيل تحفيز الماء إلى هيدروجين.
المشكلة في ذلك أن أي عملية متعددة الخطوات تكون بالضرورة أقل كفاءة.
على سبيل المثال، يتحول ضوء الشمس إلى طاقة عبر الألواح الشمسية بنسبة تحويل تتراوح فقط بين 20-25٪؛ ثم تُنقل الطاقة إلى محفز الهيدروجين، الذي يمتلك أيضًا نسبة تحويل منخفضة نسبيًا. في النهاية، من المحتمل أن تكون النسبة الكلية لتحويل الطاقة الشمسية إلى هيدروجين في نطاق الأرقام الفردية المنخفضة.
وهناك سؤال حول التكاليف. من المحتمل أن المحفز يستهلك معادن نادرة مثل البلاتين أو البلاديوم. كما أن إنتاج الطاقة المتجددة يستخدم مواد نادرة مثل الفضة، وغالبًا ما يتطلب نقل الطاقة من المزرعة الشمسية إلى المحفز استثمارات ضخمة.
أخيرًا، تتطلب معظم محفزات إنتاج الهيدروجين مستوى ثابتًا من الطاقة الكهربائية، مما يعني أنه يجب إضافة أنظمة بطاريات كبيرة كمكونات إضافية للبنية التحتية المطلوبة.
هناك العديد من النهج الممكنة لحل هذه المشكلة يتم استكشافها. على سبيل المثال، ناقشنا سابقًا:
- استخدام مواد مختلفة لإنتاج الهيدروجين، مثل التنجستن-الكوبالت أو النيكل.
- استخدام الخردة المعدنية من تشغيل البلاطة للبلاتين والكوبالت.
- إنشاء عملية تركيب ضوئي صناعية باستخدام جسيمات نانوية من الروثينيوم.
قد تعمل كل من هذه الطرق في النهاية على إنشاء محفزات أرخص لا تتطلب كمية مكلفة من البلاتين الطازج لإنتاج الهيدروجين.
لكن نهجًا جديدًا هو إجراء التحفيز الضوئي المباشر، أي تحويل الماء إلى هيدروجين مباشرةً من طاقة ضوء الشمس، دون تحويلها إلى طاقة كهربائية أولاً. لا يزيل التحفيز الضوئي المباشر الحاجة إلى خطوات متعددة فحسب، بل يستخدم أيضًا مواد أبسط وأقل ندرة لبناء توليد الطاقة الخضراء والبنى التحتية.
هذا هو النهج الذي يدعمه الباحثون في جامعة لينكوبينغ (السويد)، وجامعة كيوشو (اليابان)، ومختبر ماكس الرابع (السويد)، وجامعة داليان للتكنولوجيا (الصين). نشروا أحدث تقدماتهم في مجلة الجمعية الكيميائية الأمريكية1 تحت عنوان “تعديل بنية الإلكترون من خلال هندسة الواجهة المزدوجة لقطب ضوئي 3C-SiC لتعزيز انقسام الماء بالطاقة الشمسية”.
كربيد السيليكون للتحفيز الضوئي
كيف يتيح كربيد السيليكون التحفيز الضوئي المباشر
عمل فريق البحث هذا سابقًا مع مادة تسمى كربيد السيليكون المكعب (3C-SiC).
المصدر: RRL Solar
يمكن للمادة أن تلتقط ضوء الشمس بفعالية لإنتاج الهيدروجين من خلال تفاعل انقسام الماء الضوئي الكيميائي.
المصدر: RRL Solar
عندما يضرب ضوء الشمس المادة، تُولد شحنات كهربائية (كما في لوحة شمسية من بولي سيليكون)، تُستخدم بعد ذلك لتقسيم الماء.
تحدٍ في تطوير المواد لهذا التطبيق هو منع الشحنات الموجبة والسالبة من الاندماج مرة أخرى وتحيد بعضها البعض.
لذلك، لجعل انقسام الماء إلى هيدروجين أكثر فعالية، من المهم الحفاظ على فصل الشحنات الكهربائية.
تصميم محفز كربيد السيليكون الثلاثي الطبقات الجديد
جمع الباحثون طبقة من كربيد السيليكون المكعب مع طبقتين أخريين، باستخدام هيدروكسيد النيكل (Ni(OH)2) وأكسيدات الكوبالت (Co3O4).
كان الفريق قد أتمّ مسبقًا إنتاج كربيد السيليكون المكعب باستخدام تقنية التسامي، مؤكدًا جودة البلورة باستخدام حيود الأشعة السينية (XRD).
كما أكدوا أن الواجهة بين الطبقات زادت من عمر الشحنات الكهربائية، مما زاد من فرصة استخدام الإلكترونات في التفاعلات الكيميائية التي تقسم الماء إلى هيدروجين وأكسجين.
“إنها بنية معقدة جدًا، لذا كان تركيزنا في هذه الدراسة هو فهم وظيفة كل طبقة وكيف تساعد في تحسين خصائص المادة.
المادة الجديدة تتمتع بأداء أفضل بثمانية أضعاف مقارنةً بكربيد السيليكون المكعب النقي في انقسام الماء إلى هيدروجين.”
Jianwu Sun – أستاذ مشارك في جامعة لينكوبينغ
الخطوات التالية لتعزيز كفاءة التحفيز الضوئي
حتى الآن، لم يتمكن التحفيز الضوئي لكربيد السيليكون من تحقيق سوى عائد طاقي يتراوح بين 1-3٪.
وجود طبقة “P-Type” من أكسيد الكوبالت تحت هياكل هيدروكسيد النيكل يسرّع حركة الإلكترونات، مما يرفع من سرعة إنتاج الهيدروجين.
على الرغم من أنه لم يصل إلى ذلك بعد، يقدّر الباحثون أن هذا يمكن تحسينه بشكل كبير باستخدام طريقتهم.
في النهاية، من المتوقع عائد يزيد عن 10٪، دون الحاجة إلى أي بلاتين أو بلاديوم، ولا أي بنية تحتية معقدة أو متطلبات إمداد مستمر بالطاقة، حيث يحدث إنتاج الهيدروجين مباشرةً بمجرد أن تسطع الشمس على الجهاز.
الاستثمار في شركات كربيد السيليكون
ON Semi
ON مخطط السعر
ON Semi هي شركة أشباه موصلات متخصصة في الكهربة، بما في ذلك في قطاع السيارات، وكذلك في قطاعات أخرى مثل الطاقة الشمسية، والبطاريات، والفضاء الجوي، والاتصالات، ومراكز البيانات، والطب.
وبالتالي، هي شريك رئيسي للعديد من أكبر الشركات الصناعية في العالم.
المصدر: ON Semi
جزء كبير من ميزة ON Semi التقنية يعتمد على كربيد السيليكون، وهو نوع من مركبات السيليكون-الكربون المستخدمة في الأنظمة الكهربائية عالية الطاقة. تسمح هذه التقنية بشكل ملحوظ بتحميلات طاقة عالية جدًا المطلوبة للشحن السريع للمركبات الكهربائية.
كربيد السيليكون هو المادة الكيميائية التي استخدمها الباحثون مؤخرًا لتطوير الجرافين شبه الموصل، كما نوقش في مقالتنا “Graphene Semiconductors – Are They Finally Here?” وأيضًا كما نوقش هنا لديه إمكانات لتوليد الهيدروجين.
قادت استراتيجية ON Semi للتركيز المتزايد على كربيد السيليكون إلى تحقيق الشركة لارتفاع في الإيرادات خلال السنوات القليلة الماضية، مدفوعة بثورة المركبات الكهربائية.
المصدر: ON Semiconductor
تصبح البطاريات والأنظمة الكهربائية الأكثر قوة وكفاءة باستخدام كربيد السيليكون ذات أهمية متزايدة في سلسلة الإمداد العالمية. كقائد في هذا القطاع، من المحتمل أن تستفيد ON Semi بشكل كبير من اتجاه الكهربة، خاصةً المركبات الكهربائية وغيرها من الطاقة الخضراء.
(يمكنك أيضًا قراءة مقال أطول حول هذه الشركة في “On Semiconductor (ON): Silicon Carbide Powering Electrification”.)
أحدث أخبار وتطورات سهم ON Semi (ON)
الدراسة المشار إليها
1. Hui Zeng, et al. (2025) Manipulating Electron Structure through Dual-Interface Engineering of 3C-SiC Photoanode for Enhanced Solar Water Splitting. Journal of the American Chemical Society Vol 147/Issue 17. https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.5c04005
