كشف باحثون من مختبر لورانس بيركلي الوطني، بالتعاون مع العديد من الشركاء الأكاديميين، عن تقدم كبير في عملية التمثيل الضوئي الاصطناعي، مما يدل على القدرة على تحويل ثاني أكسيد الكربون إلى هيدروكربونات قيمة مثل الإيثان والإيثيلين.
نُشرت مؤخرًا في مجلة Nature Catalysis ، دراسةٌ تُسلط الضوء على نظامٍ جديدٍ يستخدم النحاس النانوي ومواد البيروفسكايت لمحاكاة قدرة الكلوروفيل، الصبغة الخضراء المسؤولة عن عملية التمثيل الضوئي في النباتات، على امتصاص الضوء. لا يُمثل هذا النهج المبتكر قفزةً نوعيةً في أبحاث الطاقة فحسب، بل يتماشى أيضًا مع أهداف الاستدامة الأوسع نطاقًا، وذلك باستخدام ضوء الشمس وثاني أكسيد الكربون والماء فقط.
يدمج النظام الجديد مواد البيروفسكايت، المعروفة بفعاليتها في تطبيقات الطاقة الكهروضوئية، مع محفزات كهربائية نحاسية فريدة من نوعها تُسمى "الزهور النانوية". يستلهم هذا التصميم من الإنزيمات الطبيعية التي تُسهّل عملية التمثيل الضوئي، مما يُحسّن وظائف الجهاز. بخلاف المحفزات المعدنية التقليدية، يُمكّن تصميم النحاس من تخليق هيدروكربونات أكثر تعقيدًا باستخدام ذرتي كربون، وهو أمر أساسي لإنتاج أنواع مختلفة من الوقود والمواد الكيميائية. يُوسّع هذا الإنجاز آفاق إنتاج الطاقة النظيفة، مما يُمهد الطريق لإنتاج مواد صديقة للبيئة دون انبعاثات كربونية إضافية.
يُعدّ هذا البحث عنصرًا أساسيًا في تحالف ضوء الشمس السائل (LiSA) ، وهي مبادرة تعاونية أسستها وزارة الطاقة الأمريكية. يهدف تحالف LiSA إلى تعزيز التقدم في مجال الوقود الشمسي من خلال أبحاث متعددة التخصصات، تجمع أكثر من 100 عالم من مؤسسات مختلفة، بما في ذلك معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا والمختبر الوطني للطاقة المتجددة. ويركز التحالف على دمج النماذج النظرية مع البيانات التجريبية الآنية، ساعيًا إلى تسريع وتيرة تطوير تقنيات الوقود الشمسي. ومنذ انطلاقه عام 2020، ساهم تحالف LiSA في تحسين أداء الأجهزة ومتانة المواد، وهما عاملان حاسمان لقابلية التوسع في هذه الأنظمة المبتكرة.
استخدم بيدونغ يانغ (على اليمين) وجيا-آن لين، الباحثة المتخرجة، مواد ماصة للضوء من بيروفسكايت هاليد الرصاص، تحاكي الكلوروفيل الممتص للضوء في أوراق الشجر، ومحفزات كهربائية مصنوعة من النحاس تشبه أزهارًا صغيرة. (حقوق الصورة: مارلين سارجنت/مختبر بيركلي)
أكد بيدونغ يانغ، كبير العلماء في مختبر بيركلي والمؤلف المشارك للدراسة، أنه على الرغم من اعتماد الجهود السابقة في مجال التمثيل الضوئي الاصطناعي على المواد البيولوجية، فإن إضافة النحاس تُعزز متانة النظام واستقراره. ويركز فريق يانغ الآن على زيادة كفاءة تقنية الأوراق الاصطناعية هذه وتوسيع حجمها، مما سيكون محوريًا لتوسيع نطاق النظام إلى التطبيقات العملية.
لا يُقرّب هذا البحث العلماء من محاكاة الإنتاجية الطبيعية لأوراق الشجر فحسب، بل يفتح أيضًا آفاقًا جديدة لتطوير أساليب إنتاج كيميائي مستدامة. ولا تُمثّل هذه النتائج خطوةً نحو الاستخدام الفعّال للكربون فحسب، بل تُشير أيضًا إلى مستقبلٍ مُحتملٍ يتضافر فيه إنتاج الطاقة والمسؤولية البيئية، لتلبية احتياجات الطاقة العالمية مع التخفيف من آثار تغيّر المناخ.
