هل يمكننا الحصول على هيدروجين من ضوء الشمس؟

يبقى تخزين وتوزيع الطاقة الكهربية التي تُنتَج عن طريق الطاقة الشمسية على حسب الحاجة أحد أهم العوائق التي تُقابل عملية البناء الضوئي الاصطناعية. وأحد أهم المواد الجديدة الواعدة التي يمكن استخدامها في التحفيز الضوئي هو نيتريد الكاربون الغرافيتي حيث استكشف العلماء الآن نسخة معدَّلة يمكنها إنتاج الإلكترونات عن طريق الضوء وتخزينها من أجل الإنتاج التحفيزي للهيدروجين حتى بعد أن ينقطع الضوء.

وتنقسم عملية البناء الضوئي إلى علميتين: التفاعل الضوئي والتفاعل المظلم. التفاعل الضوئي يُنتِج الإلكترونات من الطاقة الشمسية بينما التفاعل المظلم يُنتِج الوقود الحقيقي أو المواد الكيميائية التي تنقل وتخزن الطاقة. وتحدث عملية التفاعل المظلم بشكل مستقل عن مصدر الضوء الأساسي «ضوء الشمس» وبالتالي تضمن أن يُنتَج الوقود بشكل مستمر على عكس الأنظمة الصناعية التي تُعاني من الانقطاعات في إنتاج الطاقة خلال الليل.

في الأنظمة الكهروضوئية، تُنتِج الخلايا الشمسية الإلكترونات من أجل الاستخدام المحلي أو من أجل الاحتياجات العامة. وعادةً ما يكون تخزين الطاقة الكهربية في بطاريات أو عن طريق تحويلها إلى وقود كالهيدروجين والميثان. وسيتطلب تقليد عملية البناء الضوئي الطبيعية، فيما يُعرف بعملية البناء الضوئي الاصطناعية، استخدام مادة قادرة على تخزين الإلكترونات مباشرة بعد إنتاجها وتوزيعها على حسب الحاجة. وقد استكشفت هكذا مادة بواسطة (بتينا ف. لوتش- Bettina V. Lotsch) من معهد ماكس بلانك لأبحاث الحالة الصلبة في ألمانيا بمساعدة باحثين معاونين من جامعات زيوريخ وكامبريدج. وحصلوا على تلك المادة عن طريق (ميلون- melon) وهو عبارة عن بوليمر نيتريد الكاربون والذي يُبحَث بخصوصه بجدية من أجل خصائصه الشبه موصلة والتحفيزية.

فالنيتريد الغرافيتي المعدَّل هو عبارة عن مادة صلبة صفراء تُغير لونها بعد التعرُّض للضوء. ويتحول النيتريد الغرافيتي إلى اللون الأزرق عندما يتعرَّض للإشعاع الضوئي في حضور مانحات أوكسجين معينة في بيئة خالية من الأوكسجين.

وتحتوي هذه المرحلة الزرقاء على إلكترونات محبوسة. اكتشف العلماء أنه عندما ينقطع الضوء ويُضاف عامل تحفيز معين، فإن البوليمر يتحول إلى اللون الأصفر مجددًا بينما يُنتج الهيدروجين عن طريق تحرير الإلكترونات المخزَّنة. ولذلك فإنه من الممكن فصل توليد الإلكترونات عن استخدامها في إنتاج الوقود، على سبيل المثال باستخدام مادة واحدة رخيصة. وهذا قد يكون تقدُّم هائل في إنتاج الوقود الشمسي القابل للتخزين رغم انقطاع الإشعاع الضوئي أثناء الليل.

إعداد: عمرو السيد
تدقيق: هبة فارس
المصدر