الترسيب البخاري الكيميائي بمساعدة الرذاذ لأدوات مساعدات التحفيز المحتوية على الكوبالت على إلكترودات بيسموث فانادات لأجهزة فصل الماء الشمسي

تحويل ضوء الشمس والماء إلى وقود نظيف

تخيّل إنتاج وقود الهيدروجين مباشرة من ضوء الشمس والماء باستخدام لوح صلب يشبه الخلايا الشمسية. تستكشف هذه الدراسة طريقة جديدة لبناء طبقة "المساعدة" الحاسمة على مثل هذه الألواح، باستخدام أسلوب يمكن توسيعه لتغطية مساحات كبيرة بتكلفة منخفضة. من خلال تحسين كفاءة فصل الشحنات الكهربائية وطول عمر اللوح في الماء، يقرّب العمل إنتاج الهيدروجين بالطاقة الشمسية خطوة نحو التطبيق العملي.

لوح شمسي خاص لتقسيم الماء

جوهر الجهاز هو مادة ماصة للضوء تُسمى بيسموث فانادات، تتصرف بشكلٍ مشابه للوحة شمسية لكنها مُصممة للماء بدلاً من الأسلاك. عندما يضرب ضوء الشمس هذه الطبقة المتماسكة مع الماء، تتولد شحنات موجبة وسالبة يمكنها، نظرياً، فصل جزيئات الماء إلى أكسجين وهيدروجين. في الواقع العملي، إلا أن الكثير من هذه الشحنات يعيد الاتحاد سريعاً ويتبدّد كحرارة مهدورة، وسطح المادة قد يذوب ببطء. للمساعدة، يضيف الباحثون طلاء رقيقاً "مشترك التحفيز" فوق السطح يشجع التفاعل المرغوب ويحمي السطح من التلف.

بناء طبقة المساعدة بالرش من الهواء

تقليدياً، تُنمّى طبقة المساعد المحتوية على الكوبالت والمعروفة بفوسفات الكوبالت في حوض سائل تحت الضوء والانحياز الكهربائي، وهي عملية صعبة التطبيق بشكلٍ متساوٍ على مساحات واسعة. في هذا العمل، قام الفريق أولاً برش فيلم أكسيد كوبالت باستخدام الترسيب البخاري الكيميائي بمساعدة الرذاذ: يتم حمل رذاذ ناعم لمحلول يحتوي على الكوبالت في هواء ساخن فوق زجاج مطلي بطبقة بيسموث فانادات، مكوّناً غلافاً موحّداً من أكسيد الكوبالت. ثم يضعون العينة المطلية في محلول ملحي يحتوي على فوسفات ويطبقون جهدًا في الظلام، محوّلين فقط السطح الخارجي لأكسيد الكوبالت إلى فوسفات الكوبالت. يحدث هذا الإجراء ذا الخطوتين "الرش ثم الضبط" عند ضغط جوي عادي، مما يجعله أكثر توافقاً مع عمليات الطلاء الصناعية.

كيف يعزّز الطلاء الجديد الأداء

قارن الباحثون أفلام فوسفات الكوبالت المصنعة بالرش والمعالجة بأفلام المعيار المصنوعة تمامًا عبر النمو في السائل تحت الضوء. على الرغم من أن الأفلام الجديدة تحتوي فقط على سطح رقيق غني بالفوسفات، فإنها تلتصق بقوة أكبر وتغطي بيسموث فانادات الأساسية بسلاسة أكبر. أظهرت الاختبارات الكهربائية تحت ضوء شبيه بالشمس أن الطلاء الجديد ضاعف أكثر من ضعف كفاءة تحويل الشمس إلى هيدروجين لألواح بيسموث فانادات البسيطة، فارتفعت من 0.21% إلى 1.16%. كما حوّل الجهد الذي يبدأ عنده تقسيم الماء إلى قيم أقل وقلّل المقاومة لتدفق الشحنة عند السطح. تكشف قياسات كفاءة تحويل الضوء القادم إلى تيار كهربائي أن الأفلام المرشوشة تحسّن كلّاً من فصل الشحنات داخل اللوح وسهولة تحفيز تلك الشحنات لتفاعل تكوين الأكسجين على السطح.

الثبات والتصاميم المتقدمة

سؤال حاسم لأي لوحة تفصل الماء هو ما إذا كانت قادرة على البقاء لفترة طويلة. فقدت إلكترودات بيسموث فانادات العارية معظم أدائها بسرعة خلال أربع ساعات فقط من التشغيل، إذ تأكل سطحها عند تماسها بالمحلول الكهربائي. احتفظت الألواح المطلية بطبقة فوسفات الكوبالت المرسوشة الجديدة بحوالي 90% من التيار الابتدائي خلال نفس الفترة واستعادت نواتجها إلى حد كبير بعد الراحة، ما يشير إلى أن الطلاء يسرّع التفاعل المفيد ويحمي ماديًا المادة الأساسية. على النقيض، طورت أفلام فوسفات الكوبالت التقليدية تشققات وفراغات وفشلت في النهاية تمامًا. عندما جمع الفريق بين بيسموث فانادات وطبقة ماصة إضافية للضوء ثم أضاف الطلاءات المحتوية على الكوبالت، حققوا تيارًا وكفاءة أعلى، مما يبيّن أن الطريقة يمكن دمجها في تصميمات متعددة الطبقات والأكثر تقدماً.

لماذا هذا مهم لمستقبل الطاقة النظيفة

تظهر هذه الدراسة أن طريقة قابلة للتوسع "الرش والتحويل" يمكنها إنشاء طبقات مساعد فعّالة ودائمة قائمة على الكوبالت لأجهزة فصل الماء بالطاقة الشمسية. على الرغم من أن الكفاءات المطلقة لا تزال أقل من تلك المطلوبة للإنتاج التجاري للهيدروجين، فإن النهج يقدّم مكاسب أداء كبيرة، وثباتًا جيدًا على المدى المتوسط، وتوافقًا مع هياكل إلكترود معقدة، وكل ذلك باستخدام عمليات تعمل عند ضغط جوي وتناسب صفائح زجاجية كبيرة. للمختصر لغير المتخصص، الفكرة المستخلصة هي أن المهندسين لا يتعلّمون فقط كيفية ابتكار مواد ذكية، بل كيف يصنعونها بطريقة قد تملأ في النهاية أسطح المنازل أو مزارع شمسية بألواح تحوّل ضوء الشمس والماء مباشرة إلى وقود نظيف.

الاستشهاد: Huang, M., Creasey, G., Lin, Z. et al. Aerosol assisted chemical vapor deposition of cobalt-based co-catalysts on bismuth vanadate-based photoelectrodes for solar water splitting systems. NPG Asia Mater 18, 8 (2026). https://doi.org/10.1038/s41427-026-00641-y

الكلمات المفتاحية: فصل الماء الشمسي, وقود الهيدروجين, الإلكترودات الضوئية, محفز فوسفات الكوبالت, بيسموث فانادات