منصة فوتوحرارية غير متماثلة لتفكيك مياه البحر وتحلية الماء بشكل مترابط

تحويل مياه البحر إلى وقود ومياه عذبة

تحتوي المناطق الساحلية على كميات هائلة من مياه البحر، ومع ذلك يصعب استخدام هذا المورد المالح مباشرة للشرب أو كمصدر للوقود النظيف. تُظهر هذه الدراسة طريقة للقيام بالأمرين معًا: استخدام ضوء الشمس لاستخراج وقود الهيدروجين والمياه الصالحة للشرب من مياه البحر عبر جهاز طافي بسيط مطلي بمادة مفصّلة بعناية.

لماذا استخدام مياه البحر وضوء الشمس

يُروَّج للهيدروجين غالبًا كوقود نظيف، لكن إنتاجه قد يعتمد على الوقود الأحفوري أو المياه العذبة الثمينة. قد يخفف تفكيك مياه البحر بالضوء من الضغط على إمدادات المياه العذبة ويقلل الانبعاثات، لكن الملح والأيونات الأخرى في مياه البحر تميل إلى تآكل المحفزات الشائعة وإبطاء التفاعلات. يعمل النتريد الكربوني الغرافيتي، وهو مادة صلبة صفراء قائمة على الكربون، أفضل من كثير من المواد في الماء المالح، ومع ذلك لا يزال يهدر جزءًا كبيرًا من الطاقة الشمسية الواردة ويملك عددًا قليلًا جدًا من المواقع النشطة لإنتاج الهيدروجين بكفاءة.

تصميم محفز ذي ذرة مفردة أفضل

واجه الباحثون هذا التحدي عبر هندسة عائلة من المحفزات تُثبَّت فيها ذرات كوبالت مفردة على سطح نتريد الكربون بطرق مختلفة. أنشأوا ثلاث نسخ: قفص متماثل من أربع ذرات نيتروجين حول الكوبالت، موقع بثلاث ذرات نيتروجين عند فراغ، وموقع غير متماثل بأربع ذرات نيتروجين بجانب ذرات كربون مفقودة. يعيد التصميم الأخير، المسمى CoSA-hCN، تشكيل كيفية تبادل الإلكترونات بين الكوبالت ونتريد الكربون المحيط. تُظهر المجاهر المتقدمة والطيفية أن الكوبالت يبقى كذرات معزولة وأن فراغات الكربون القريبة تزعزع تماثل البنية المحلية، مما يخلق مزيدًا من الإلكترونات الفردية ومسارات أفضل لحركة الشحنات عبر المادة.

كيف تعزز اللامتماثلية إنتاج الهيدروجين

جمع الفريق بين التجارب والمحاكاة الحاسوبية ليفهم كيف تغير هذه التعديلات البنيوية الصغيرة الأداء. تكشف القياسات البصرية أن CoSA-hCN يقمع انبعاث الضوء المعتاد لنتريد الكربون، علامة على أن الشحنات المستثارَة ضوئيًا أقل عرضة لإعادة الاقتران وأكثر ميلًا لدفع التفاعلات الكيميائية. تُظهر الاختبارات الزمنية أن الشحنات تتحرك بسرعة أكبر، بينما تشير بيانات التحليل الكهروكيميائي إلى مقاومة أقل وتيار ضوئي أعلى. تحت الضوء المرئي، يُنتج CoSA-hCN ثلاثة إلى أربعة أضعاف كمية الهيدروجين في مياه بحر صناعية مقارنةً بالنسختين الأخريين. كما يشجع على نمو موحد للجسيمات النّانوية من البلاتين التي تعمل كمساعدات قوية لتحويل البروتونات إلى غاز الهيدروجين. تقترح الحسابات ودراسات امتزاز الأيونات أن البنية غير المتماثلة تجتذب الأيونات الموجبة في مياه البحر أكثر من الكلوريد، مما يساعد على توجيه الشحنات في اتجاهات مفيدة ويحد من التفاعلات الجانبية المسببة للتآكل.

إسفنج طافي يصنع الوقود والمياه العذبة

للانتقال إلى ما هو أبعد من الخلايا المخبرية الصغيرة، ركّب المؤلفون أفضل محفز لديهم على إسفنج تجاري يطفو على سطح مياه البحر. يدفع ضوء الشمس المحفز الضوئي ويسخّن سطح الإسفنج بلطف في آن واحد، مما يسرع التفاعلات ويتسبب في تبخر مياه البحر عند الواجهة. في خزان مغطى، يتكاثف البخار النقي على سطح بارد ويُجمع كمياه عذبة، بينما تتكون فقاعات الهيدروجين عند طبقة المحفز. على منصة إسفنجية مساحتها 60 سنتيمترًا مربعًا تحت ضوء الشمس القياسي، قدّم النظام إنتاج هيدروجين قويًا إلى جانب معدلات عالية لتبخر مياه البحر باستخدام مياه بحر صناعية وطبيعية على حد سواء. استوفت المياه المجمعة الإرشادات الدولية لمستويات الأملاح الرئيسية، وظل المحفز مستقرًا عبر تجارب متكررة.

ماذا يعني هذا لمستقبل الطاقة الساحلية

من خلال ترتيب ذرات كوبالت المفردة والفراغات القريبة في نتريد الكربون بدقة، تبيّن الدراسة كيف يمكن للامتماثلية على المستوى الذري أن تتحكم في حركة الشحنات، وتدير الأيونات المالحة، وتدعم إنتاجًا فعّالًا للهيدروجين. عندما يجتمع هذا المادة المعدلة مع إسفنج فوتوحراري طافي بسيط، ينشأ منصة مدمجة يمكن وضعها على مياه البحر الحقيقية لتوليد الهيدروجين وال ماء النظيف في آن واحد. وبالرغم من أن هذا ليس نظامًا تجاريًا بعد، فإنه يحدد قواعد تصميم لأجهزة شمسية مستقبلية تساهم في معالجة حاجتي الطاقة والمياه العذبة في المناطق الساحلية وشبه القاحلة.

محوّل مياه البحر بالطاقة الشمسية

الاستشهاد: Lin, J., Xu, H., Tian, W. et al. An asymmetric photothermal platform for coupled seawater splitting and desalination. Nat Commun 17, 4503 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-71139-y

الكلمات المفتاحية: تفكيك مياه البحر, إنتاج الهيدروجين, تحلية المياه, محفز ضوئي, نتريد الكربون