مركبات نانوية من نتريد الكربون الغرافيتي–أكسيد الغرافين المختزل (g-C3N4@r-GO) لإنتاج الهيدروجين عبر التحليل الضوئي للماء ومكثفات كهربائية عالية الأداء

طاقة نظيفة من عناصر يومية

يُعرض وقود الهيدروجين وتخزين الطاقة القابل للشحن بسرعة على أنهما تحديان تقنيان منفصلان في العادة. تبيّن هذه الدراسة كيف يمكن معالجة كلاهما معًا باستخدام مادة واحدة خالية من المعادن ومصنوعة من عناصر وفيرة مثل الكربون والنتروجين. من خلال خلط مسحوق أصفر ماص للضوء (نتريد الكربون الغرافيتي) مع صفائح كربون فائقة الرقة (أكسيد الغرافين المختزل) بعناية، أنشأ الباحثون مادة «مزدوجة الوظيفة» تستطيع استخدام ضوء الشمس لتفكيك الماء إلى هيدروجين وتعمل أيضًا كمكثف كهربائي فائق عالي الأداء لتخزين الطاقة الكهربائية.

بناء إسفنجة أذكى للضوء والشحنة

في صميم العمل يوجد مركب يُسمى g‑C3N4@r‑GO، حيث يُدمج نتريد الكربون الغرافيتي (g‑C3N4) مع صفائح أكسيد الغرافين التي تم تقليلها كيميائيًا لتحسين موصليتها الكهربائية. بمفردهما، يمتص g‑C3N4 الضوء لكنه يوصل الكهرباء بشكل ضعيف، بينما المواد المعتمدة على الغرافين موصلة جيدًا لكنها لا تفكك الماء بكفاءة. عبر تكديس هذين المادتين على تماس وثيق، يصنع الفريق نوعًا من وصلة p–n الإلكترونية — مجالًا كهربائيًا مدمجًا يساعد على فصل الشحنات الموجبة والسالبة المتولدة عند تعرض المادة للضوء. اختبروا عاملين مخففين لطيفين، فيتامين C (حمض الأسكوربيك) وNaBH4 (هيدريد البوروهيدريد الصوديوم)، لضبط مدى موصِّلية وترابط صفائح الغرافين.

التطلع إلى البنية النانوية

لفهم سبب تفوق أحد المركبات على الباقي، استخدم المؤلفون مجموعة من الأدوات البنائية والبصرية. كشفت صور الميكروسكوب الإلكتروني كيف تُبنى المساحيق من رقائق مكدسة وجزيئات شبيهة بالعصيات؛ في أحد الأنماط تظهر حفر سطحية يمكنها حجز وإعادة اتحاد الشحنات بدلًا من أن تؤدي عملاً مفيدًا. أظهرت حيود الأشعة السينية مدى انتظام الطبقات الذرية، في حين كشفت تقنيات الأشعة تحت الحمراء والأشعة فوق البنفسجية–المرئية كيف تتحول الروابط الكيميائية وخصائص امتصاص الضوء عندما يرتبط g‑C3N4 بالغرافين. الأفضل أداءً، المصنوع باستخدام حمض الأسكوربيك، كان له أصغر فجوة طاقة فعّالة (عتبة امتصاص الضوء) وعلامات على تفاعل قوي بين المكونين، مما يعزز كلًا من جمع الضوء وتدفق الإلكترونات.

تحويل الضوء والماء إلى وقود الهيدروجين

عند وضع المركبات في ماء يحتوي على كمية صغيرة من الميثانول وإضاءتها بمصباح زينون، أنتجت غازات الهيدروجين بمعدلات مختلفة للغاية. أنتج g‑C3N4 النقي وأكسيد الغرافين بمفردهما نسبًا منخفضة من الهيدروجين. بالمقابل، أنتجت مادة g‑C3N4@r‑GO المختزلة بفيتامين C كمية 339.82 ميكرومول من الهيدروجين في الساعة لكل غرام من الحفاز، بكفاءة كمية ظاهرية قدرها 2.52% عند طول موجي 420 نانومتر. وهذا يعني أكثر من خمسة أضعاف الهيدروجين مقارنةً ببعض نظيراتها تحت نفس الظروف. أظهرت الاختبارات عبر دورات متعددة أن المادة حافظت على ما يقرب من 90% من قدرتها على إنتاج الهيدروجين بعد ثلاث عمليات، ما يدل على ثبات وقابلية لإعادة الاستخدام دون الاعتماد على معادن باهظة أو سامة.

العمل كخزان طاقة عالي السرعة

نُقش الشكل نفسه أيضًا كأقطاب وغُمر في محلول قلوي لاختبار أدائه كمكثف كهربائي فائق — جهاز يخزن ويطلق الشحنة بسرعة كبيرة. باستخدام قياسات كهروكيميائية معيارية، وجد الباحثون أن قطب g‑C3N4@r‑GO (حمض الأسكوربيك) بلغ سعة نوعية تقارب 323 فاراد لكل غرام عند معدلات فحص منخفضة، متفوقًا على عدة مواد ذات صلة تم الإبلاغ عنها في الأدبيات. حتى بعد 5000 دورة شحن–تفريغ عند تيار مرتفع نسبيًا، احتفظ بما يقرب من 79% من سعته الابتدائية، مما يبيّن أن البنية تتحمل الاستخدام المتكرر. توفر طبقات الغرافين مسارات سريعة للإلكترونات، في حين تساعد مواقع غنية بالنتروجين في نتريد الكربون على تخزين الشحنة عبر تفاعلات عكسية مع الأيونات في السائل.

لماذا هذا مهم لأنظمة الطاقة المستقبلية

بالنسبة لغير المتخصصين، الرسالة الرئيسية هي أن المواد الكربونية المصممة بعناية يمكن أن تؤدي دورًا مزدوجًا في مستقبل الطاقة النظيفة: فهي تساعد على توليد وقود الهيدروجين من الماء باستخدام ضوء الشمس وتعمل أيضًا كأجهزة تخزين طاقة سريعة وشديدة التحمل. من خلال تجنب المعادن الثمينة أو السامة واستخدام كيمياء لطيفة مثل اختزال بفيتامين C، تشير الدراسة إلى مسارات أرخص وأكثر استدامة لإنتاج الهيدروجين على نطاق واسع ومكثفات فائقة للطاقة العالية. وبالرغم من الحاجة لمزيد من العمل على السلامة والتوسع والاندماج في أجهزة حقيقية، فإن هذه المركبات g‑C3N4@r‑GO تقرّبنا من مجموعة أدوات عملية خالية من المعادن لصنع وتخزين الطاقة المتجددة.

الاستشهاد: Nagar, O.P., Kameliya, M., Gurbani, N. et al. Graphitic carbon nitride–reduced graphene oxide (g-C₃N₄@r-GO) nanocomposites for photocatalytic hydrogen production by water splitting and high-performance electrochemical supercapacitors. Sci Rep 16, 5465 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-35069-5

الكلمات المفتاحية: إنتاج الهيدروجين, تحليل الماء, مركب الغرافين, مكثف كهربائي فائق, الطاقة الشمسية