في دراسة جديدة نشرت هذا الأسبوع من قبل الأكاديمية الوطنية للعلوم في الولايات المتحدة حول نتائج البحوث عن حلول جديدة لزيادة كفاءة حصاد وتخزين الطاقة الشمسية، قام علماء من الولايات المتحدة والصين بتوليف محفز جديد ثنائي الذرة ليكون بمثابة إبتكار واعد في مجال التمثيل الضوئي الاصطناعي .
و طور فريق الباحثين محفز الايريديوم مع اثنين من الفلزات النشطة. و كشفت التجارب أن هذا المحفز سيكون ذا بنية محددة جيدا، وقادرة على أن تكون بمثابة منصة إنتاجية للبحوث المستقبلية في مجال توليف الوقود الشمسي.
وقال “دونوي وانغ”، المؤلف الرئيسي للتقرير و أستاذ الكيمياء في جامعة بوسطن: “بحثنا يتعلق بتكنولوجيا تخزين الطاقة الشمسية المباشرة و نحن نحاول التفوق على التحدي الحاسم المتمثل في أن هذه الطاقة تنتج على فترات متقطعة”.
و أضاف : ” نحن نفعل ذلك عن طريق حصاد الطاقة الشمسية مباشرة وتخزين الطاقة في الروابط الكيميائية، على غرار الطريقة التي يتم بها عملية التمثيل الضوئي الطبيعية ولكن بكفاءة أعلى وتكلفة أقل”.
وقد أمضى الباحثون وقتا طويلا في تجارب المحفزات أحادية الذرة، ونادرا ما استكشفوا “حفاز مشتتا ذريا” أي يضم ذرتين أو أكثر .حيث يقوم الفريق بتوليف محفز إريديوم ثنائي الذرة غير متجانس بطريقة كيميائية ضوئية. و الذي أظهر الاستقرار المتميز والنشاط العالي بالنسبة لعملية أكسدة الماء، وهي عملية أساسية في التمثيل الضوئي الطبيعي والاصطناعي.
ويركز الباحثون على هذا الجانب حيث يواجهون تحديات خاصة في تطوير التحفيز غير المتجانس، و الذي يستخدم على نطاق واسع في التحويلات الكيميائية الصناعية. و غالبا ما تكون المحفزات غير المتجانسة الأكثر نشاطا غير واضحة في هياكلها الذرية، مما يجعل من الصعب تقييم الآليات التفصيلية على المستوى الجزيئي.
وتمكن الفريق من الاستفادة من التقنيات الجديدة في تقييم محفزات الذرة الواحدة ووضع منصة مادية لدراسة ردود الفعل الهامة والمعقدة التي تتطلب أكثر من موقع نشط واحد.
و يضيف “وانغ” إن :” فريق الباحثين يعمل على تحديد أصغر وحدة تحفيز غير متجانسة نشطة وأكثر استدامىة لأكسدة الماء، … لقد أصبح لدينا لمحة عن إمكانات المحفزات غير المتجانسة في إنتاج الطاقة النظيفة و تخزينها “.
كما أجرى الفريق تجارب بالأشعة السينية في المركز المتقدم في مختبر لورنس بيركلي الوطني الذي ساعد على تحديد هيكل محفز الإيريديوم. وقد استخدموا تقنيتين في القياسات: عملية (EXAFS) لامتصاص الأشعة السينية في بنية الهيكل و عملية امتصاص الأشعة السينية بالقرب من بنية الحافة (XANES) . وتوفر هذه التجارب أدلة حاسمة لفهم المحفز الجديد على نحو أفضل.
وقال “وانغ” ان الفريق فوجئ بكفاءة و متانة المحفز، جنبا الى جنب مع ارتفاع النشاط نحو رد الفعل المطلوب من عملية أكسدة الماء.
و أضاف ان الخطوات القادمة في هذا البحث تشمل زيادة تحسين المحفز للاستخدام العملي ودراسة المجالات التي يمكن فيها تطبيق المحفز على التحولات الكيمائية الجديدة.
ويبدو أن هذا المصدر الجديد المحتمل للوقود سيتيح عملية تخليق اصطناعي أكثر فعالية من حيث التكلفة.وفي حين أن هذا يعد خبرا سيئ بالنسبة لمحطات الطاقة الشمسية الحالية، الا أنها تمثل أخبارا مشجعة لأزمة الطاقة المتنامية في كوكبنا و للبيئة و المناخ بشكل عام.
