جهاز شمسي مستوحى من أوراق الأشجار ينتج الهيدروجين من مياه البحر ويزيل ملوثاً شديد السمية

طوّر باحثون من جامعة نانيانغ التكنولوجية في سنغافورة جهازاً يعمل بالطاقة الشمسية قادرًا على إنتاج الهيدروجين من مياه البحر، وفي الوقت نفسه معالجة الهيدرازين، وهو ملوث صناعي شديد السمية، في تقنية تجمع بين إنتاج الوقود النظيف وتنقية المياه.

واستلهم الفريق تصميم النظام من الطريقة التي تمتص بها أوراق الأشجار ضوء الشمس، إذ لا يحتاج الجهاز إلى مصدر خارجي للكهرباء، بل يستخدم الطاقة الشمسية مباشرة لتشغيل التفاعلات الكيميائية اللازمة لإنتاج الهيدروجين والتخلص من الملوث.

ويُنتج الهيدروجين الأخضر عادة عبر التحليل الكهربائي للماء، لكن استخدام مياه البحر يطرح تحديات بسبب احتوائها على أيونات الكلوريد، التي قد تتسبب في تكوين مركبات كلورية سامة ومسببة للتآكل، إضافة إلى إلحاق الضرر بالأقطاب المستخدمة في العملية.

وللتغلب على هذه المشكلة، غيّر الباحثون التفاعل الذي يحدث عند المصعد، أو القطب الموجب، باستخدام محفز مكوّن من الحديد والكوبالت والكروم، يعمل على تحليل الهيدرازين إلى هيدروجين ونيتروجين.

ويحتاج هذا التفاعل إلى طاقة أقل من التفاعل التقليدي الذي ينتج الأكسجين أثناء التحليل الكهربائي للماء، ما يسمح بإنتاج الهيدروجين بكفاءة أكبر، وفي الوقت نفسه إزالة الهيدرازين من المياه.

أما المهبط، أو القطب السالب، فقد صُنع من مادة بيروفسكايت قائمة على هاليد الرصاص، وهي مادة شبه موصلة قادرة على امتصاص ضوء الشمس وتحويله إلى كهرباء، مع استخدام مواد واقية تشمل راتنج إيبوكسي موصلاً وجزيئات من الفضة والنحاس ورقائق من التيتانيوم.

وأظهرت الاختبارات باستخدام مياه بحر حقيقية وأخرى محاكاة أن الجهاز حافظ على تيار كهربائي مستقر تحت الإضاءة، وحقق كثافة تيار ضوئي بلغت نحو 25 مللي أمبير لكل سنتيمتر مربع.

كما استمر النظام في العمل لأكثر من 72 ساعة تحت إضاءة تعادل أشعة الشمس في يوم صاف، وسجل معدل إنتاج للهيدروجين بلغ نحو 466 ميكرومول لكل سنتيمتر مربع في الساعة.

وفي جانب معالجة المياه، تمكن الجهاز من خفض تركيز الهيدرازين من 0.5 مولار إلى نحو 0.5 جزء في المليار خلال 30 ساعة، من دون الحاجة إلى فصل الملوث مسبقاً عن المياه.

ويقول الباحثون إن أهمية النظام تكمن في قدرته على معالجة مشكلتين في الوقت نفسه: إنتاج وقود نظيف والاستفادة من الطاقة الشمسية للتخلص من ملوث صناعي خطير.

ويعمل الفريق حالياً على تطوير محفزات جديدة يمكنها استهداف أنواع أخرى من الملوثات، إلى جانب تحويل بعض مواد النفايات إلى منتجات مفيدة، من بينها الوقود والمواد الكيميائية الصناعية.