ورقة اصطناعية سنغافورية تنتج الهيدروجين من مياه البحر الملوثة

قدّم فريق من جامعة نانيانغ التكنولوجية (NTU) في سنغافورة ورقة اصطناعية تُنتج الهيدروجين من مياه البحر باستخدام ضوء الشمس فقط. كما يُزيل هذا الجهاز مادة الهيدرازين، وهي مادة كيميائية شديدة السمية موجودة في بعض مياه الصرف الصناعي. وبذلك، يُعالج الجهاز مشكلة إنتاج الوقود النظيف ومعالجة التلوث في خطوة واحدة.

نشر الباحثون العمل في مجلة Nature Communications . وقادت الفريق البروفيسورة ليديا إتش وونغ من كلية علوم وهندسة المواد بجامعة نانيانغ التكنولوجية.

لماذا مياه البحر صلبة؟

معظم أجهزة التحليل الكهربائي تفصل الماء العذب النقي. أما مياه البحر فهي أكثر وفرة، لكن ملوحتها تسبب مشاكل. فعند مرور تيار كهربائي فيها، تميل أيونات الكلوريد إلى تكوين مركبات الكلور المسببة للتآكل والسامة.

تتسبب هذه المركبات في تآكل الأقطاب الكهربائية، مما يُنتج مشكلة نفايات خاصة بها. ونتيجة لذلك، يتطلب إنتاج الهيدروجين من مياه البحر عادةً تحلية مكلفة أولاً، أو استخدام أقطاب كهربائية مقاومة للتآكل.

يُعدّ توفير المياه العذبة مصدر قلقٍ بالفعل بالنسبة لمراكز الهيدروجين المزمع إنشاؤها في المناطق الساحلية الجافة، بما في ذلك أجزاء من أستراليا والشرق الأوسط وشمال إفريقيا. وسيُخفف استخدام مياه البحر مباشرةً من هذا الضغط. كما أنه يُناسب الدول الجزرية مثل سنغافورة، التي لديها استراتيجية وطنية للهيدروجين ولكنها تعاني من محدودية المياه العذبة.

يتجاوز تصميم جامعة نانيانغ التكنولوجية (NTU) الكثير من هذه المشاكل. فقد قام الفريق بتزويد المصعد بمحفز يعمل على تحليل الهيدرازين إلى هيدروجين ونيتروجين. وفي الوقت نفسه، يمنع هذا التفاعل تكوّن مركبات الكلور.

كاثود البيروفسكايت

على الجانب الآخر من الجهاز، صنع الباحثون المهبط من بيروفسكايت هاليد الرصاص. تمتص هذه المواد البلورية الضوء بكفاءة عالية وتحوله إلى كهرباء بتكلفة منخفضة. وقد حظيت باهتمام كبير في أبحاث الطاقة الشمسية خلال العقد الماضي. كما يمكن للمصنعين معالجتها من المحلول في درجات حرارة منخفضة، مما يساهم في خفض التكاليف.

هنا، وصل المهبط الضوئي المصنوع من البيروفسكايت إلى كثافة تيار ضوئي تبلغ 25 مللي أمبير لكل سنتيمتر مربع. تقيس كثافة التيار الضوئي مقدار التيار الذي ينتجه الجهاز لكل وحدة مساحة مضاءة. ويقول الفريق إن هذا الرقم يُعد من أعلى الأرقام المسجلة لمهابط البيروفسكايت القائمة على الرصاص.

كما حافظ الجهاز على إنتاجية ثابتة لأكثر من 72 ساعة تحت إضاءة تعادل ضوء الشمس الكامل في يوم صافٍ. وفي الوقت نفسه، أنتج الهيدروجين بمعدل مماثل للأجهزة المماثلة التي تعمل بالطاقة الشمسية.

تنظيف المياه أثناء العمل

بما أن الورقة تعمل دون جهد كهربائي خارجي، فهي ذاتية التغذية. ببساطة، ضوء الشمس وحده يُحفز التفاعلين، دون الحاجة إلى كهرباء من الشبكة أو بطارية. في الاختبارات، حوّلت الورقة الهيدرازين إلى أقل من جزء واحد في المليار خلال حوالي 30 ساعة. في الواقع، أزال الجهاز جميع الملوثات تقريبًا من محلول الاختبار.

يُستخدم الهيدرازين في العمليات الصناعية، بما في ذلك الصناعات الكيميائية، كما يُستخدم كوقود للصواريخ. وهو مادة سامة للإنسان والكائنات المائية، لذا تتطلب مياه الصرف الصحي المحتوية عليه معالجة دقيقة. ويمكن لجهاز يُزيله أثناء إنتاج الوقود أن يحوّل تكلفة التخلص منه إلى مصدر قيمة صغير.

العقبات قبل التوسع

النتائج مخبرية، ولا تزال العديد من التساؤلات المهمة مطروحة. من المعروف أن البيروفسكايت يعاني من نقطة ضعف: تدهوره عند تعرضه للرطوبة والحرارة والضوء لفترات طويلة. يُعدّ تشغيله المستقر لثلاثة أيام نتيجةً ممتازةً لهذه الفئة من المواد، مع العلم أن الأنظمة التجارية تحتاج إلى التشغيل لسنوات.

يثير استخدام الرصاص تساؤلات حول أي جهاز مصمم للاستخدام في الماء. إذ يتعين على المهندسين إثبات قدرة المادة على البقاء محكمة الإغلاق لفترات طويلة. إضافةً إلى ذلك، فإن تحويل الخلايا المختبرية الصغيرة إلى ألواح كبيرة الحجم عادةً ما يقلل من كفاءتها.

مع ذلك، يُضيف هذا العمل إلى مجموعة متنامية من المناهج لإنتاج الهيدروجين الشمسي المباشر، بما في ذلك المواد الشمسية متعددة الطبقات التي تُسرّع عملية تحليل الماء . بالنسبة للمواقع الصناعية الساحلية، يُعدّ إنتاج الهيدروجين من مياه البحر مع معالجة المياه الملوثة مزيجًا جذابًا. وتتمثل الخطوة التالية في إثبات قدرة هذا المفهوم على الصمود في ظروف واقعية خارج المختبر.