نتائج أبحاث جديدة قد تحسن تكنولوجيا الطاقة النظيفة جذريًّا

نتائج أبحاث جديدة قد تحسن تكنولوجيا الطاقة النظيفة جذريًّا

14 أبريل , 2021

ترجم بواسطة:

فاطمة محمد

دقق بواسطة:

زينب محمد

وفقًا لبعض التقديرات فإن الطاقة التي تصلنا عبر أشعة الشمس خلال سنة تفوق مجموع الطاقة التي نستخرجها من مصادر الطاقة غير المتجددة جميعها. على الرغم من التطورات السريعة التي شهدناها في تكنولوجيا الطاقة الشمسية، إلا أن بعض أوجه القصور التي نواجهها في تخزين الطاقة الشمسية وتوزيعها مازالت مستمرة، مما يجعل توليد الطاقة الشمسية خيارًا غير عمليًّا إطلاقًا. باحثون من كلية ڤيرجينيا (UVA) وقسم العلوم والآداب للدراسات العليا، ومعهد كاليفورنيا للتكنولوجيا (Caltech) والمختبرات التابعة لوزارة الطاقة الأمريكية (مختبر آرغون الوطني ومختبر لورنس بيركلي الوطني) ومختبر بروكهيڤن أحرزوا تقدمًا علميًّا حاسمًا قد يسمح لنا باتخاذ خطوة كبيرة باتجاه مستقبلٍ ذو طاقة نظيفة.

إحدى طرق حصاد الطاقة الشمسية هي تفكيك الماء إلى مكوناته: الأكسجين والهيدروجين باستخدام الكهرباء الشمسية. الهيدروجين الناتج يتم تخرينه كوقود ونقله واستخدامه لتوليد الطاقة حسب الرغبة. تسمى عملية تحليل الماء إلى مكوناته بتفاعل تطور الأكسجين (Oxygen Evolution Reaction) ونحتاج فيها إلى مادة محفّزة، والمواد المحفزة التي تستخدم حاليًّا في هذه العملية غير فعالة بما يكفي.

باستخدام طريقة كيميائية جديدة في جامعة ڤيرجينيا طُور نوع جديد من المواد المحفزة مصنوع من مادتي التيتانيوم والكوبالت على يد مجموعة من الباحثين في الكيمياء بقيادة البروفسور سين جانغ (Sen Zhang) و ت. برنت غونو (T. Brent Gunnoe). ما يميّز هاتين المادتين أنهما مادتان متوفرتان في الطبيعة. على النقيض؛ فإن معظم المحفزات تستخدم مواد ثمينة مثل الإريديوم والروثنيوم.

يذكر جانغ أن “العملية الجديدة تتضمن تكوين مواقع تحفيز نشطة على المستوى الذري على أسطح الكريستال النانوية لأكسيد التيتانيوم. هذه التقنية تنتج مادة محفزة أكثر استقرارًا وأفضل في بدء عملية تطوير الأكسجين، وأن من الطرق الجوهرية نحو تحويل الطاقة الشمسية إلى مستوى يسهِّل استخدامه هي التوصل لمحفزات أكثر فعالية وفهم أساسياتها بشكل أعمق. هذا العمل مثال جيد على كيفية تحسين كفاءة المحفز في تكنولوجيا الطاقة النظيفة عبر تقويم وضبط المواد النانوية على المستوى الذري”.

نقلًا عن غونو: “هذا الاكتشاف الذي يرتكز على أعمال من مختبر جانغ يمثل طريقة جديدة لتطوير وفهم سلوك المواد المحفِّزة كما أنه يشمل تصنيع المواد بطرق متقدمة وتوصيف المواد على المستوى الذري ونظرية ميكانيكا الكم”.

“منذ عدة سنوات، قام اتحاد ماكس نت للطاقة (MAXNET Energy) الذي يتكون من تسعة معاهد ماكس بلانك الألمانية بضم كلًّا من جامعتي ڤيرجينيا وكارديف (في بريطانيا) إلى دراسة تستهدف أكسدة المياه المحفَّزة كهربائيًّا. كان اتحاد ماكس نت البذرة التي أثمرت الأبحاث الجارية بين مجموعتي ومختبر جانغ. كان هذا التعاون، وما زال، حقلًا خصبًا أنتج الكثير”.

مع مساعدة من مختبر آرغون الوطني ومختبر لورنس بيركلي الوطني ومعملهما الذي يضم مرافق تحليل طيفي مسرع دوراني زمني (سينكروتون) باستخدام الأشعة السينية (يستخدم هذا المعمل الأشعة لدراسة بناء وتركيب المادة على المستوى الذري) اكتشف الفريق أن بإمكانهم متابعة تطور المحفِّز خلال عملية تطور الأكسجين عن طريق مراقبة سطح المادة المحفزة والذي سيمكنهم من تقييم أدائه ويرجع الفضل في ذلك إلى تركيبة سطحه المحددة.

ذكرت هوا تشو (Hua Zhou)، فيزيائية الأشعة السينية للآرغون والمشاركة في كتابة الورقة العلمية: “استخدمت الأشعة السينية من Advanced Photon Source  و Advanced Light Source بالإضافة إلى جزء من برمجية يمكن الوصول إليها بسرعة والحصول على تغذية راجعة لأي فكرة علمية صاعدة أو عاجلة. نشعر بالحماس حيال كون المعملين الوطنيين منشأتين مساهمتين في تطوير تقنيات الطاقة النظيفة، وبالتحديد في عملية شطر الماء”.

كلًا منAdvanced Photon Source  و Advanced Light Source مشمولان تحت مظلة وزارة الطاقة الأمريكية ضمن معامل العلوم التي تقع في مختبر آرغون الوطني ومختبر لورنس بيركلي الوطني التابعان لوزارة الطاقة الأمريكية.

استطاع باحثون من معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا توقع سرعة إنتاج الأكسجين التي أنتجها المحفز باستخدام أساليب ميكانيكا الكم، وبذلك حصل الباحثون على معلومات دقيقة حول آلية عمل هذه العملية الكيميائية.

“كنا في خضم تطوير تقنيات ميكانيكا كمية لفهم آلية تطور الأكسجين لمدة تزيد عن الخمس السنوات، ولكن في كل المحاولات السابقة لم نتمكن من فهم التركيب الدقيق للمحفز. يملك محفز جانغ تركيبًا ذريًّا محددًا، وجوهريًا، وجدنا أن المخرجات النظرية تتوافق تمامًا مع المخرجات العملية”. ذكر ويليام أ. قودارد الثالث، أستاذ الكيمياء وعلم المواد والفيزياء التطبيقية في معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا وأحد الباحثين الأساسيين في المشروع: “هذه النتيجة تثبت صحة الأساليب النظرية التي خرجنا بها والتي يمكننا الآن استخدامها من أجل إنتاج محفزات أفضل ومن ثم اختبارها. إنها خطوة ضخمة نحو الطاقة النظيفة على مستوى عالمي”.

 ويضيف جيل ڤينتون، رئيس قسم الكيمياء في جامعة ڤيرجينيا: “هذا العمل مثال رائع على العمل الجماعي في السعي نحو الطاقة النظيفة بين جامعة ڤيرجينيا والباحثون الآخرون التي نتج عنها اكتشافات تربط بين مجالات عدة”.

المصدر: https://phys.org

 ترجمة: فاطمة محمد

مراجعة وتدقيق: زينب محمد


اترك تعليقاً

القائمة البريدية

اشترك في قائمتنا البريدية ليصلك جديد مقالاتنا العلمية وكل ماهو حصري على مجموعة نون العلمية