إنتاج الهيدروجين الشمسي عبر تحلل مياه البحر عند ضغط جوي عادي

تحويل مياه البحر وضوء الشمس إلى وقود نظيف

معظم مياه الأرض مالحة، ومع ذلك تتطلب تقريباً كل التقنيات التي تفصل الماء لإنتاج الوقود الهيدروجيني ماءً عذباً منقّياً ومعدات معقدة. تصف هذه الدراسة مادة صلبة جديدة يمكنها استخدام ماء البحر العادي وضوء الشمس، عند ضغط الهواء اليومي، لتوليد غاز الهيدروجين بكفاءة. من خلال إعادة تصميم طريقة تحرك الشحنات داخل محفز ضوئي شائع، اقترب الباحثون خطوة من تحقيق «مزارع وقود شمسية» ساحلية قابلة للتوسع تحول المحيطات إلى مصدر طاقة متجدد وواسع النطاق.

لماذا يهم ماء البحر لمستقبل الطاقة

الهيدروجين وقود نظيف: عند احتراقه ينتج ماء بدلاً من ثاني أكسيد الكربون. إحدى الطرق الواعدة لصنع الهيدروجين هي السماح لمادة صلبة ماصة للضوء بتقسيم الماء إلى هيدروجين وأكسجين. ومع ذلك، تتطلب معظم الأنظمة الحالية ماءً منقّياً بعناية وغالباً تعمل تحت تفريغ جزئي لمنع تفاعل الرجوع. هذا المزيج مكلف ويصعب توسيعه للمناطق الواسعة اللازمة للإنتاج الصناعي للطاقة. وبما أن نحو 96.5% من ماء الكوكب في المحيطات، فإن التكنولوجيا العملية يجب أن تعمل مباشرة مع ماء البحر، في الخارج، تحت ضغط الهواء العادي.

بناء محفز ضوئي أفضل مدفوع بالضوء

ركز الفريق على نترات الكربون البوليمرية، وهي مادة خالية من المعادن ورخيصة نسبياً ومعروفة بقدرتها على تحفيز إنتاج الهيدروجين تحت الضوء. الضعف الرئيسي لها هو أنه عند امتصاصها للضوء، تنجذب الإلكترونات والفجوات بقوة إلى بعضها وتعاود الالتحام قبل أن تقوم بالكيمياء المفيدة. لإصلاح ذلك، ربط الباحثون وحدات «بيرين» الغنية بالإلكترونات على صفائح رقيقة للغاية من نترات الكربون باستخدام روابط عطرية صغيرة تسمى جسور π. هذا خلق إطاراً من نوع مانح–جسر–مستقبل حيث تتحرك الإلكترونات طبيعياً من مانحات البيرين إلى شبكة نترات الكربون، مما يهيئ دفعاً وسحبا داخليين للشحنة عبر المادة.

كيف تعمل المادة الجديدة في ماء البحر

من بين عدة تصميمات، أدت نسخة ذات رابط بيفينيل تُدعى UPy2 أفضل أداء. أظهرت مقاييس بصرية وقياسات ليزر فائقة السرعة أن UPy2 يخفض الطاقة التي تربط أزواج الإلكترون–فجوة بشكل كبير ويطيل عمر الشحنات المنفصلة بشكل درامي. بعبارة أخرى، عندما يثير ضوء الشمس المادة، تنفصل الإلكترونات والفجوات وتبقى منفصلة مدة كافية للمشاركة في التفاعلات الكيميائية. يساهم الحقل الكهربائي الداخلي المكون من بنية المانح–الجسر–المستقبل في جذب الإلكترونات نحو مناطق يمكن أن يتكوّن فيها الهيدروجين والفجوات نحو مواقع يمكن استهلاكها بأمان.

أيونات ماء البحر كمساعدين خفيين

يحتوي ماء البحر الحقيقي على صوديوم ومغنيسيوم وكالسيوم وغيرها من الأيونات، بالإضافة إلى جزيء مساعد عضوي ثلاثي الإثانول أمين المستخدم هنا لإزالة الفجوات. تشير الحسابات والتجارب إلى أن نترات الكربون المُعاد تصميمها تتراكم حول وحداتها الحلقية «هيبتازين» إلكترونات إضافية. تجعل هذه الشحنة السالبة الزائدة المادة جيدة بشكل خاص في جذب مركبات المعادن المشحونة إيجابياً المرتبطة بثلاثي الإثانول أمين من ماء البحر. بمجرد ارتباط هذه المعقدات، تزيل الفجوات بسرعة، مما يقلل المزيد من إعادة الالتحام ويسمح بتوجيه مزيد من الإلكترونات نحو تحويل البروتونات من الماء إلى غاز الهيدروجين. حتى مركبات المغنيسيوم التي تتكوّن ببطء على السطح يبدو أنها تساعد في نقل الشحنة بدلاً من أن تسد المحفز ببساطة.

من مفاعل المختبر إلى ماء البحر المضئ بالشمس

في اختبارات مضبوطة باستخدام ضوء شمسي محاكى، زرعت UPy2 إنتاج الهيدروجين من ماء البحر الطبيعي بمعدلات تفوق بكثير نترات الكربون العادية، وفعلت ذلك في الهواء الطلق دون غاز واقٍ. ثم قام الباحثون بتكبير العمل إلى مفاعل قرصي ضحل بعرض 20 سنتيمتراً مملوء بماء البحر ووُضع في الهواء الطلق. تحت ضوء الشمس الحقيقي أنتج هذا الإعداد البسيط ما يكفي من الهيدروجين ليُجمع ويُحلل وحتى يُشتعل، كل ذلك عند ضغط جوي عادي. تُظهر هذه النتائج أنه من خلال توجيه حركية الشحنات الناتجة عن الضوء داخل المادة الصلبة واستغلال الأيونات الموجودة بالفعل في ماء البحر، يمكن تحويل مادة شائعة ومستقرة إلى منصة عملية لإنتاج الهيدروجين الشمسي على نطاق واسع من البحر.

الاستشهاد: Li, K., Xiao, T., Tang, J. et al. Solar hydrogen production through ambient-pressure seawater splitting. Nat Commun 17, 2836 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-69583-x

الكلمات المفتاحية: إنتاج الهيدروجين من مياه البحر, الوقود الشمسي, تصميم المحفز الضوئي, نترات الكربون, الطاقة الخضراء