تطوير محفزات ضوئية تنقي المياه الملوثة بالمبيدات وتنتج الهيدروجين الأخضر | علوم

الماء مصدر غني للهيدروجين، والتحفيز الضوئي هو وسيلة للاستفادة من الطاقة الشمسية الوفيرة لإنتاج الهيدروجين والمعالجة البيئية.

تمكن فريق بحثي من عدة جامعات أميركية من تطوير محفز ضوئي ثنائي الغرض، يقوم بتنقية المياه الملوثة بالمبيدات، ويستخدم في إنتاج الهيدروجين في الوقت نفسه. وذلك وفقا لما جاء في دراسة حديثة نشرت نتائجها دورية “إيه سي إس كاتاليسيز” (ACS Catalysis)، إحدى دوريات الجمعية الكيميائية الأميركية المتخصصة في ابتكار وتطوير المحفزات.

وتأتي دراسة هذه العوامل المحفزة النشطة ضوئيا في إطار مشروع مكافحة تلوث المياه الذي يمثل تحديا عالميا كبيرا، وكذلك في إطار السعي للحصول على وقود الهيدروجين الأخضر الذي يعتبر وقودا نظيفا ومتجددا.

الجمع بين الأكسدة والاختزال

اعتمد الفريق البحثي في الحصول على نظام التحفيز الضوئي على الجمع بين كل من الأكسدة لتنقية المياه والاختزال لإنتاج الهيدروجين عن طريق تقسيم الماء.

وفي هذا الصدد يقول قائد الدراسة “كيرياكوس ستيليانو” أستاذ الكيمياء المساعد في جامعة ولاية أوهايو “يمكننا الجمع بين الأكسدة والاختزال في عملية واحدة لتحقيق نظام تحفيز ضوئي فعال، حيث إن الأكسدة تحدث من خلال تفاعل التحلل الضوئي، ويحدث الاختزال من خلال التفاعل في عملية إنتاج الهيدروجين”.

وبحسب البيان الصحفي لجامعة ولاية “أوريغون” (Oregon State University)، فإن المحفزات هي مواد تزيد من معدل التفاعل الكيميائي دون أن تخضع نفسها لأي تغيير كيميائي دائم، ومن أبرزها المحفزات الضوئية، وهي مواد تمتص الضوء للوصول إلى مستوى طاقة أعلى، يمكن استخدامها لتفكيك الملوثات العضوية من خلال الأكسدة.

ويشير البيان إلى أن للمحفزات الضوئية تطبيقات مختلفة، أبرزها الطلاءات الذاتية التنظيف للجدران والأرضيات والسقوف والأثاث المقاومة للبقع والروائح.

تطوير المحفز من إطار معدني عضوي

الفريق البحثي طور في هذه الدراسة محفزات ضوئية من ثاني أكسيد التيتانيوم، مشتقة من إطار معدني عضوي (Metal-Organic Frameworks (MOFs))، وهو عبارة عن بلورات مسامية، تتكون من أيونات معدنية موجبة الشحنة محاطة بجزيئات عضوية.

ويمكن تخزين الغازات على تلك البلورات، مثل الهيدروجين أو الغاز الطبيعي أو ثاني أكسيد الكربون، ومن ثم يمكن أن يساعد ذلك في التخلص من الغازات المسببة لظاهرة الاحتباس الحراري، مثل امتصاص واحتجاز وتخزين غاز ثاني أكسيد الكربون قبل أن يصل إلى الغلاف الجوي.

ومن ناحية أخرى، تعمل الأطر المعدنية العضوية تلك على تنقية المياه من العناصر الملوثة، بالإضافة إلى تحلية مياه البحر، وهي من الاكتشافات الحديثة في استخدام الأطر المعدنية العضوية.

ويعود الفضل في اكتشاف الأطر المعدنية العضوية إلى العالم الأميركي الأردني الأصل البروفيسور عمر ياغي، الذي اكتشفها في أوائل التسعينيات من القرن الماضي.

ووفقا لهذه الدراسة، فقد تمكن الباحثون من الحصول على المحفزات الضوئية عن طريق التسخين العالي أثناء عملية تكليس الأطر العضوية المعدنية (MOFs’ calcination)، والتي يمكن من خلالها توليد مواد شبه موصلة مثل ثاني أكسيد التيتانيوم، وهو المحفز الضوئي الأكثر استخداما.

ووفقا للموسوعة البريطانية فإن التكليس هو عملية يتم فيها تسخين المواد الصلبة إلى درجة حرارة عالية لغرض إزالة المواد المتطايرة، أو أكسدة جزء من الكتلة، أو جعلها قابلة للتفتيت. لذلك يعتبر التكليس أحيانا عملية تنقية.

إنتاج الهيدروجين بالتحفيز

يقول البيان الصحفي إن المحفز الذي تم تطويره ينتج الهيدروجين عن طريق تقسيم الماء عبر التحفيز الضوئي، وهو أنظف وأكثر استدامة من الطريقة التقليدية لاشتقاق الهيدروجين من الغاز الطبيعي عبر عملية إنتاج ثاني أكسيد الكربون المعروفة باسم إصلاح بخار الميثان.

ويخدم الهيدروجين العديد من الأغراض العلمية والصناعية، بالإضافة إلى أدواره المتعلقة بالطاقة، واستخدامه في خلايا الوقود للسيارات وفي صناعة العديد من المواد الكيميائية، بما في ذلك الأمونيا، وفي تكرير المعادن وإنتاج البلاستيك.

يقول ستيليانو إن الماء “مصدر غني للهيدروجين، والتحفيز الضوئي هو وسيلة للاستفادة من الطاقة الشمسية الوفيرة لإنتاج الهيدروجين والمعالجة البيئية”.

وأضاف ستيليانو “نظهر في هذه الدراسة أنه من خلال التحفيز الضوئي يمكن إنتاج وقود متجدد مع إزالة الملوثات العضوية، أو تحويلها إلى منتجات مفيدة”.