درجات حرارة منخفضة وأكسدة ضوئية حرارية سريعة للذهب السائل لإنتاج الهيدروجين الدائري

طريقة جديدة لصنع وقود نظيف

يُطلق على الهيدروجين غالبًا اسم وقود المستقبل: عند اشتعاله ينتج ماءً بدلاً من الدخان أو السخام. لكن معظم الهيدروجين اليوم يُنتَج من الوقود الأحفوري أو باستخدام آلات مكلفة تستهلك طاقة كبيرة. تستكشف هذه الدراسة مسارًا مختلفًا، يستخدم معدنًا ناعمًا فضّي اللون يُدعى الجاليوم إلى جانب ماء عادي — وحتى ماء البحر — لإنتاج الهيدروجين في عملية قابلة لإعادة الاستخدام ودائرية تعمل إلى حد كبير بطاقة الشمس.

تحويل الضوء والمعدن إلى وقود

اكتشف الباحثون أن قطرات صغيرة من الجاليوم السائل يمكن أن تتفاعل مع الماء لإطلاق غاز الهيدروجين عندما تُسخّن بواسطة الضوء. يذوب الجاليوم عند درجة حرارة قريبة من حرارة الغرفة، لذا تحت تدفئة خفيفة يصبح سائلاً قابلاً للجريان. عندما يسقط الضوء على القطرات تمتص الطاقة وتسخن، مما يسرّع تفاعلها مع الماء. أثناء هذا التفاعل يتحول الجاليوم إلى مركب صلب يُسمى أوكسيده الهيدروكسيدي بينما تتصاعد فقاعات الهيدروجين. وبما أن الجاليوم سائل، فإن الطبقة الصلبة التي تتكون على سطحه تتقشر طبيعيًا بدلاً من أن تغلق عليه، فتظل أجزاء جديدة من المعدن مكشوفة ويمكن أن يستمر التفاعل بسرعة.

حلقة دائرية بدلاً من استخدام لمرة واحدة

تستهلك معظم التفاعلات الكيميائية المنتجة للهيدروجين مكوّناتها المعدنية إلى الأبد، تاركة نفايات صلبة عنيدة. على النقيض من ذلك، تُظهر هذه الدراسة أن أوكسيده الهيدروكسيدي الصلب المتبقي بعد إنتاج الهيدروجين ليس نهاية الطريق. يمكن إذابته في حمض خفيف وإعادته إلى جاليوم سائل باستخدام معدات كهروكيميائية قياسية — في الجوهر إعداد يشبه البطارية يعمل بالعكس. تعمل الكهرباء، ويفضل أن تكون من مصادر متجددة مثل الشمس أو الرياح، على استعادة معظم الجاليوم الأصلي. وهذا يعني أنّ نفس دفعة المعدن يمكن تدويرها مرارًا وتكرارًا، مكونة حلقة مغلقة لإنتاج الهيدروجين بدلاً من عملية تُستخدم لمرة واحدة ثم تُهدر.

هيدروجين سريع وذو درجة حرارة منخفضة من مياه متعددة

في تجارب عملية، صنع الفريق قطرات الجاليوم باستخدام موجات صوتية لتفتيت المعدن المذاب إلى العديد من الجسيمات الصغيرة. أعطت القطرات الأصغر مساحة سطح أكبر وامتصاصًا أفضل للضوء، مما جعل إنتاج الهيدروجين أسرع وأكثر اكتمالًا. تحت مستويات ضوء قوية لكنها واقعية تعادل ضوء الشمس المركز، يمكن لتحويل 0.2 غرام من قطرات الجاليوم في الماء أن يتحول بالكامل إلى المنتج الصلب في نحو ساعة ونصف، منتجًا كميات من الهيدروجين تطابق الحد النظري الأقصى. والأهم أن هذه الأداء لم يضعف ليس فقط في الماء المصفى بل أيضًا في محاليل مالحة وفي ماء البحر الحقيقي المأخوذ من الساحل، من دون الحاجة إلى خطوة تحلية منفصلة.

لماذا يهم الضوء أكثر من التسخين البسيط

قارن العلماء عدة طرق لدفع التفاعل ووجدوا أن تسليط الضوء مباشرة على القطرات كان أكثر فعالية بكثير من مجرد تسخين الماء إلى نفس الدرجة. يقوم الضوء بوظيفتين معًا: يسخّن الجاليوم، ويتفاعل أيضًا مع الطبقة الرقيقة من المادة الصلبة التي تتكوّن على القطرات، مساعدًا على نقل الشحنات الكهربائية عبر الواجهة. هذه الشحنات تسهّل استمرار تفاعل المعدن مع الماء. أظهرت تجارب باستخدام مصابيح مختلفة، ومحاكي شمسي، وضوء الشمس الطبيعي المركّز أن الضوء المرئي على وجه الخصوص فعّال جدًا في تحفيز هذا السلوك «الضوئي الحراري»، الذي يجمع بين الضوء والحرارة لتسريع إنتاج الهيدروجين.

من مفهوم مخبري إلى ناقل طاقة مستقبلي

من منظور حسابات الطاقة، يقدّر الباحثون أن الدورة الكاملة — من تفاعل الجاليوم مع الماء لإنتاج الهيدروجين وصولًا إلى إعادة توليد المعدن — قد تصل كفاءة الذهاب والإياب فيها إلى نحو 13 بالمئة عندما يُعامل ضوء الشمس كدخل مجاني. ومع أن الجاليوم نفسه ليس رخيصًا، فهو قابل لإعادة الاستخدام، وغير سام نسبيًا، وسهل النقل والتخزين كناقلة طاقة مدمجة. تقترح الدراسة سيناريو مستقبليًا يمكن فيه شحن الجاليوم إلى مواقع ساحلية، وتفاعله مع ماء البحر تحت ضوء الشمس لإنتاج الهيدروجين عند الطلب، ثم إعادته لإعادة التوليد باستخدام كهرباء نظيفة. ببساطة، تُظهر الدراسة طريقة واعدة لتحويل ضوء الشمس ومياه البحر إلى وقود نظيف يمكن تخزينه باستخدام معدن سائل قابل لإعادة التدوير، مقربة بذلك رؤية نظام طاقة قائم على الهيدروجين خطوة إلى الأمام.

الاستشهاد: Campos, L.G.B., Allioux, FM., Fimbres Weihs, G. et al. Low temperature and rapid photothermal oxidation of liquid gallium for circular hydrogen production. Nat Commun 17, 1890 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-68664-1

الكلمات المفتاحية: إنتاج الهيدروجين, الذهب السائل, الطاقة الشمسية, وقود مياه البحر, كيمياء دائرية