تعمل الورقة الاصطناعية التي تعمل بالطاقة الشمسية على تحويل ثاني أكسيد الكربون إلى وقود الميثانول السائل
قام باحثون في جامعة ييل ببناء جهاز يعمل بالطاقة الشمسية يحول ثاني أكسيد الكربون والماء إلى ميثانول، مما يمثل خطوة كبيرة إلى الأمام في تكنولوجيا التمثيل الضوئي الاصطناعي. يعمل النظام بدون كهرباء خارجية. وبدلا من ذلك، فإنه يعتمد كليا على ضوء الشمس لدفع التفاعل الكيميائي. ويقول الباحثون إن الجهاز يحول ضوء الشمس إلى ميثانول بكفاءة أكبر بكثير من أنظمة الأوراق الاصطناعية السابقة المصممة لإنتاج الوقود المعتمد على الكحول. يمكن أن يعزز هذا الاختراق الجهود المستقبلية لالتقاط ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي مع إنتاج وقود سائل أنظف للنقل والصناعة. محاكاة عملية التمثيل الضوئي الطبيعي جاء المشروع نتيجة تعاون قادته جامعة ييل وشمل باحثين من جامعة نورث كارولينا-تشابل هيل، وجامعة ولاية كارولينا الشمالية، وجامعة بنسلفانيا. ويدعم هذا العمل أيضًا الأهداف الأوسع للمركز الممول فدراليًا للمناهج الهجينة في استخدام الطاقة الشمسية للوقود السائل، والمعروف باسم CHASE. وقال أستاذ الكيمياء بجامعة ييل، هايليانج وانج، إن الفريق استوحى الإلهام مباشرة من الطبيعة. وقال وانغ: “يبدو هذا واعداً، بمفهوم مماثل لما تفعله الطبيعة”. وأضاف أن الباحثين أصبحوا متحمسين بعد رؤية النتائج الناجحة الأولى للجهاز. وعلى عكس أنظمة الطاقة الشمسية التقليدية التي تولد الكهرباء، فإن الورقة الاصطناعية الجديدة تنتج الوقود السائل مباشرة. وهذا يمنح التكنولوجيا ميزة إضافية لأن الوقود السائل يمكنه تخزين الطاقة لفترات طويلة والتحرك عبر البنية التحتية الحالية. يعمل الميثانول بالفعل كمادة كيميائية صناعية مهمة. وتستخدمه الشركات أيضًا كوقود بديل في تطبيقات الشحن والطاقة. هندسة النواة التحفيزية يجمع الجهاز بين تقنيتين تم تطويرهما على مدى عدة سنوات داخل مختبر وانغ. يتمحور الابتكار الأول حول محفز متخصص تم تقديمه لأول مرة في عام 2019. يقوم المحفز بتحويل ثاني أكسيد الكربون والماء إلى ميثانول من خلال تفاعل معقد بستة إلكترونات. كانت أنظمة المحفزات الجزيئية السابقة تتعامل بشكل عام مع تفاعلات ثنائية الإلكترون فقط، مما يقتصر على منتجات أبسط مثل أول أكسيد الكربون. صمم الباحثون المحفز عن طريق ربط جزيئات الكوبالت فثالوسيانين بأنابيب الكربون النانوية. تقوم الأنابيب النانوية بنقل الإلكترونات بسرعة نحو مواقع التفاعل النشط. قارن وانغ الأنابيب النانوية بطرق الإلكترون السريعة التي تغذي المحفز بشكل مستمر أثناء التشغيل. أما الإنجاز الثاني فكان يتعلق بإلكترود ضوئي مُعاد تصميمه قام بتطويره باحث الدكتوراه بو شانغ. يستخدم الهيكل أعمدة سيليكون مجهرية مطلية بمادة كربون الفوليرين. تعمل هذه الهندسة على تحسين فصل الشحنات وكفاءة نقل الإلكترون. كما أنه يزيد من المساحة السطحية المتاحة حيث يمكن أن تحدث التفاعلات الحفزية. معًا، أنشأ النظامان ما وصفه الباحثون بأنه واحد من أكثر أجهزة تحويل الميثانول بالتحفيز الكهروضوئي المعتمدة على السيليكون والتي تم الإبلاغ عنها حتى الآن. توسيع نطاق إنتاج الوقود الشمسي أمضى شانغ خمس سنوات في المساعدة في تطوير النظام المستقل من خلال مبادرة CHASE البحثية. قال شانغ: “عندما بدأت، كان من غير المرجح أن يكون جهاز مثل هذا يعمل بمفرده”. وقال إن مشاهدة النظام يولد وقودًا صالحًا للاستخدام من ضوء الشمس والماء وثاني أكسيد الكربون أثبت أنه مجزٍ للفريق بأكمله. ويواصل الباحثون تحسين تصميم الأوراق الاصطناعية لتحسين الكفاءة والمتانة. وقال وانغ إن النتائج الحالية ترسي أساسًا قويًا لأنظمة واسعة النطاق في المستقبل. وقد تدعم هذه التكنولوجيا في نهاية المطاف جهود إعادة تدوير الكربون الصناعية مع إنتاج وقود سائل متجدد مع انبعاثات أقل. ولا يزال العلماء يواجهون عقبات كبيرة قبل أن يصبح النشر التجاري أمرًا عمليًا. ومع ذلك، يوضح النظام الذي تقوده جامعة ييل كيف يمكن لعملية التمثيل الضوئي الهندسية أن تتطور إلى ما هو أبعد من التجارب المعملية إلى تكنولوجيا الطاقة القابلة للتطوير.
تم النشر: 2026-06-05 00:51:00
