نحو إيجاد مصادر مستدامة للطاقة النظيفة..فريق بحثي يطور مواد نانوية لإنتاج الهيدروجين باستخدام الطاقة الشمسية

30 يوليو، 2019  |   البحث العلمي

يتجه العالم اليوم نحو تنويع مصادر الطاقة لسد الاحتياج العالمي المتزايد للوقود كما أن إيجاد مصادر نظيفة ومستدامة للطاقة للحد من الانبعاثات الكربونية وحماية البيئة يعد أحد أهم التحديات التي تتطلب المزيد من العمل البحثي لتطوير تقنيات واعدة لحل هذه المعضلة وفتح مجالات استثمارية جديدة ترفد اقتصاد الدول، وتتمتع المملكة العربية السعودية بإمكانات طبيعية تُتيح لها الاستفادة من الفرص الهائلة في قطاع الطاقة المتجددة.

يعد غاز الهيدروجين أحد البدائل المستدامة للطاقة ويُعوَّل على استخدامه كوقود نظيف، إذ إن احتراقه ينتج عنه بخار الماء، ولذلك، يعد صديقاً للبيئة، بالإضافة إلى أنه أكثر كفاءة، فمقدار الطاقة التي ينتجها كيلوجرام واحد من الوقود الهيدروجيني يعادل الطاقة التي تنتج عن 2.8 كيلوجرام من وقود الجازولين الأحفوري الملوِّث للبيئة، كما يدخل الهيدروجين كأحد المواد الأولية المهمة في التفاعلات البتروكيماوية والأسمدة المصنعة.

DSC_2561.jpg
إنتاج الهيدروجين من خلال عملية "التمثيل الضوئي الاصطناعي".

طور فريق بحثي بالجامعة، يقوده الباحث بمركز التميز البحثي لتقنية النانو د. إحسان قرشي، مواد نانوية وشبه موصلات لإنتاج الهيدروجين في عملية تسمى "التمثيل الضوئي الاصطناعي" يتم خلالها استخدام الطاقة الشمسية، مستفيدين من موقع المملكة المتميز على الحزام الشمسي الذي تتلقى من خلاله إشعاعات طبيعية مباشرة تزيد عن 6000 واط في الساعة/ م 2 في اليوم، وقد نشرت ورقة بحثية حازت على عامل تأثي عال (15.5) يعد ضمن أعلى عامل تأثير لورقة بحثية تم نشرها من الجامعة خلال السنوات الأخيرة.

ويعد التمثيل الضوئي الاصطناعي عملية كيميائية تحاكي التمثيل الضوئي الطبيعي لتحويل أشعة الشمس وثاني أكسيد الكربون والماء إلى منتجات متنوعة ذات قيمة مضافة مثل الكربوهيدرات والأكسجين والهيدروجين عن طريق تخزين الطاقة الناتجة عن ضوء الشمس في شكل روابط كيميائية.

illustration.jpg
فصل المياه بالطاقة الشمسية باستخدام أقطاب كهربائية من البلاتين وشبه موصلات.

يظهر الشكل 1 خلية كهروكيميائية-ضوئية حيث يتم فصل المياه باستخدام الضوء الشمسي كمصدر للطاقة في التحليل الكهربائي للماء لإنتاج الهيدروجين كوقود نظيف باستخدام أقطاب سالبة وموجبة من أشباه الموصلات الضوئية.

وعمل الدكتورإحسان الحق قرشي وفريقه البحثي على مشروع، تم تمويله من مدينة الملك عبد العزيز للعلوم والتقنية، لتطوير شبه موصلات عالية الأداء والمتوفرة بكثرة في الطبيعة والتي تعمل في الغالب على تحفيز التفاعلات الكهروضوئية لفصل الأوكسجين، والذي يعد الجزء الأصعب في استخلاص الهيدروجين من الماء، وبالتالي استخلاص وقود الهيدروجين، وتم نشر النتائج كورقة بحثية في مجلة "ScienceDirect".

وقال د.إحسان قرشي إن تركيزنا ينصب على تصنيع مواد نانوية ذات جودة أعلى تستخدم في التحفيز الكهربائي الضوئي وذلك لتحسين عملية فصل الماء بالطاقة الشمسية واستخلاص غاز الهديروجين، وتمت مناقشة النظرة العامة حول هذه التقنية وآفاقها المستقبلية في مقالنا الأخير في مجلة Chemical Society Review.

DSC_2562.jpg
المشروع يهدف إلى إنتاج وقود الهيدروجين باستخدام الطاقة الشمسية.

وأوضح أن الفريق يعمل أيضاً على تطوير مواد جديدة مثل أكسينترات المعادن شبه الموصلة والفانيدات وأوكسي هيدروكسيدات لتحسين فصل المياه الكهروكيميائية الضوئية وفي تحويل ثاني أكسيد الكربون عن طريق التحفيز الضوئي والكهروكيميائي والتفاعلات الكهروكيميائية وغيرها من التفاعلات المهمة.

ويمثّل استخلاص الهيدروجين من المركبات التي يتوافر فيها تحدياً كبيراً والسبب في ذلك يعود إلى عدم وجود الهيدروجين بشكل غاز منفرد في الطبيعة، وهناك عدة طرق يتم من خلالها إنتاج الهيدروجين مثل معالجة الميثان بالبخار (SMR) ، التحليل الكهربائي ، العمليات البيولوجية ، الطاقة الشمسية الحرارية ، ومؤخرا التمثيل الضوئي الاصطناعي، ولكن معظم الطرق المتبعة حالياً لإنتاجه ليست ناجعة (من منظور اقتصادي وبيئي)، حيث يتم الاعتماد على الوقود الأحفوري وينتج عن ذلك انبعاثات لغاز ثاني أكسيد الكربون الضار للبيئة، حيث أن الهيدروجين المنتج بطريقة معالجة الميثان بالبخار يطلق 240 ميجا طن من ثاني أكسيد الكربون سنويًا ، كما أن التحليل الكهربائي التقليدي محدود باستخدام المعادن النفيسة (البلاتين وأكسيد الإيريديوم)، ولذلك، يعد تطوير عملية مستدامة وصديقة للبيئة لإنتاج كميات كبيرة من الهيدروجين بدون انبعاثات ثاني أكسيد الكربون سيكون ذو أهمية كبيرة للصناعات المحلية.

DSC_2578.jpg
الباحث بمركز التميز البحثي لتقنية النانو د.إحسان قرشي.

ويعد د. إحسان أحد باحثي الجامعة المتميزين في هذا المجال، كما يعمل كمحرر موضوعات في المجلة الدولية للطاقة الهيدروجينية وعضو هيئة التحرير في نشرة التقارير العلمية وبحوث المواد التي تتخذ قرارات تحريرية لأكثر من 100 مقالة سنويًا تتعلق بتطوير مواد جديدة للطاقة النظيفة والمجالات المتصلة بها.

لمزيد من التفاصيل حول هذا البحث يرجى الاطلاع على الأوراق البحثية التي تم نشرها :

ScienceDirect: Nano Energy (Nano Energy ، 4423-33 ، 2018 https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2017.11.050 ).

ACS Sustainable chemistry and Engineering: https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acssuschemeng.7b02848).

Chemical Society Review:https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2019/cs/c8cs00987b#!divAbstract

فيديو يظهرعملية انتاج وقود الهيدروجين من الماء في المختبر: