طريقة جديدة غير مكلفة لكسر رابطة جزيء الماء وفصل الأكسجين عن الهيدروجين

طور باحثون في جامعة ستانفورد جهاز غير مكلف والذي يستخدم الضوء لفصل الماء إلى أكسجين وهيدروجين نظيف قابل  للاحتراق. الهدف منه استخدامة كإضافة للخلايا الشمسية مع خلايا الوقود التي تعمل بالهيدروجين والتي يمكن أن تولد الكهرباء عندما تكون الشمس ليست مشرقة أو عند الحاجة اليها. 

هذه الصورة توضح قطبين متصلين بمصدر خارجي للفولتية والتي تفصل الماء الى الاكسيجين والهيدروجين. الكترود السليكون المضي (في اليسار) يستحدم الضوء  للمساعدة في عملية فصل الماء ولحمايتة من الوسط الاليكتروليتي يغطى بطبقة رقيقة من النيكل سمكها 2 نانو متر.   

استطاع العلماء في جامعة ستانفورد تطوير جهاز يعتمد على السليكون في فصل الماء والذي يتميز بتكلفتة المنخفضة ومقاومتة للتاكل ,الجهاز الجديد من السليكون شبة الموصل المغطى بطبقة من النيكل - يمكن أن تساعد في تمهيد الطريق لإنتاج وقود الهيدروجين على نطاق واسع من من أشعة الشمس، وفقا للعلماء. ونشرت نتائج العلماء في مجلة العلوم 15 نوفمبر تشرين الثاني                                                                                                                                           

الخلايا الشمسية تعمل فقط عندما تكون الشمس مشرقة!! وقال الباحث المشارك في الدراسة هونغ جيه داي أستاذ الكيمياء في جامعة ستانفورد. "عندما لا تتوفر اشعة الشمس يؤدي ذلك في الغالب إلى الاعتماد على الكهرباء من محطات الطاقة التقليدية التي تعمل على الفحم أو الغاز الطبيعي" 

وتأتي هذه الفكرة كأحد الحلول التي تراعي الحفاظ على بيئة نظيفة وأوضح داي، ان هذا الجهاز يأتي  كتكملة او اضافة للخلايا الشمسية وربطها بخلايا الوقود التي تعمل 

 بالهيدروجين والتي تولد الكهرباء ليلا أو عند الحاجة اليها.

لإنتاج خلايا وقود الهيدروجين النظيفة، قام العلماء بتطوير تكنولوجيا ناشئة تسمى فصل المياه. حيث يغمس قطبين شبه موصلين في الماء. تمتص هذه الأقطاب الضوء وتستخدم الطاقة لفصل الماء إلى مكوناتة الأساسية، الأكسجين والهيدروجين. حيث يتم تحرير الأوكسجين الى الغلاف الجوي، ويتم تخزين الهيدروجين والاحتفاظ بة كوقود عندما تكون هناك حاجة للطاقة، يتم عكس العملية. حيث يتحد الهيدروجين المخزن واكسجين الهواء الجوي في خلايا الوقود لانتاج الكهرباء والماء النقي.

 العملية برمتها دائمة ولا تبعث غازات الاحتباس الحراري. لكن العثور على وسيلة رخيصة لفصل المياه يشكل تحديا رئيسيا. اليوم، يستمر الباحثون في البحث عن مواد غير مكلفة التي يمكن استخدامها لبناء اجهزة لفصل الماء بشكل فعال واكثر  كفائة في الاستخدام العملي.

الحل في السيلكون

السيلكون، الذي يستخدم على نطاق واسع في الخلايا الشمسية، سيكون مثاليا، ومن المواد ذات التكلفة المنخفضة يقول مايكل كيني طالب الدراسات العليا بستانفورد واحد المشاركين في الدراسة. "لكن السيليكون يتكسر ويتحلل عند وضعة في المحلول الاليكتروليتي. وفي الواقع ان هذا القطب المغمور في الاليكتروليت والمصنوع من السيلكون يتآكل بمجرد بدء تفاعل فصل الماء".

 في عام 2011، تناول فريق بحث آخر بستانفورد هذا التحدي من خلال أقطاب السيلكون المطلية بطبقات  من ثاني أكسيد التيتانيوم والإيريديوم. وأدت هذه التجربة الى فصل الماء الى هيدروجين وأكسجين لمدة 8 ساعات من دون حدوث تأكل للأقطاب.                                                                                                 

قال داي ان تلك النتائج كانت ملهمه ولكن لفصل المياه عمليا هناك حاجة إلى استقرار طويل الامد للتفاعل. بالإضافة الى ان الايريديوم من المعادن الثمينة والمكلفة. بينما المطلوب هو حفازات من المعادن رخيصة الثمن والغير مكلفة.                              

ولإيجاد بديل منخفض التكلفة اقترح داي على كيني وزملاؤه محاولة طلاء أقطاب السيلكون بالنيكل العادي. (النيكل من المعادن المقاومة للتآكل) , وأضاف كيني الى ان النيكل يعتبر ايضا من الحفازات الفعالة لإنتاج الاكسيجين وهو من العناصر ذات الوفرة العالية في القشرة الارضية. مما يجعله بديل مناسب جدا لهذا النوع من التطبيقات.

رقائق النيكل

للتجربة استخدم فريق داي طبقة سميكة من النيكل سمكها 2 نانومتر على قطب السيلكون، ووضع مع القطب ألأخر في محلول من الماء  وبورات البوتاسيوم. وعندما يتم تسليط الضوء والكهرباء تبدأ الأقطاب بفصل الماء إلى أكسجين وهيدروجين حيث استمرت العملية حوالي 24 ساعة مع عدم وجود اي علامة للتآكل                          ولتحسين ألأداء قام الباحثين بخلط الليثيوم في محلول الماء. واللافت ان اضافة الليثيوم عملت على زيادة استقرارية  ألأقطاب. وقال كيني  "ان عملية توليد الهيدروجين والأكسجين من الماء استمرت لمدة 80 ساعة - وأكثر من ثلاثة أيام - مع عدم وجود اي علامات تدل على تآكل سطح الاقطاب".                                                                                          

هذه النتائج تمثل تقدما كبيرا على الجهود التجريبية ألسابقة. وأضاف داي "أنتجنا في مختبراتنا واحدة من أطول الاقطاب المنتجة للفوتونات والقائمة على السيلكون". واضاف "إن النتائج تشير إلى أن طلاء السليكون بطبقات النيكل لا يحميها فقط من التآكل بل ايضا يعتبر حفاز اليكتروليتي لتسريع تفاعل فصل الماء.  

                       

ومن المثير للاهتمام ان اضافة اللثيوم للالكتروليت يستخدم لتحسين بطاريات النيكل الجيدة منذ ايام توماس اديسون, وبعد سنوات عديدة سررنا عندما وجدنا انه ايضا يساعد في تحسين  صنع اجهزة فصل الماء بشكل جيد. ويخطط العلماء للقيام بأعمال إضافية للعمل على تحسين استقرارية ومتانة قطب السليكون  المعالج بالنيكل وكذلك غيرها من المواد.                                            

                                             

المصدر : 

http://news.stanford.edu/pr/2013/pr-nickel-water-splitter-111213.html