طور فريق بحثي مكونًا جديدًا لجهاز التمثيل الضوئي الاصطناعي يتمتع باستقرار وطول عمر ملحوظين لأنه يحول بشكل انتقائي ضوء الشمس وثاني أكسيد الكربون إلى مصدرين واعدين للوقود المتجدد – الإيثيلين والهيدروجين.
كشفت نتائج الباحثين ، التي نشروها مؤخرًا في مجلة Nature Energy ، كيف يتدهور الجهاز مع الاستخدام ، ثم يوضحون كيفية التخفيف من حدته. يقدم المؤلفون أيضًا نظرة ثاقبة جديدة حول كيفية مساهمة الإلكترونات وحاملات الشحنة المسماة “الثقوب” في تدهور عملية التمثيل الضوئي الاصطناعي.
قالت فرانشيسكا توما ، كبيرة الباحثين ، وهي عالمة في قسم العلوم الكيميائية بمختبر بيركلي ، من خلال فهم كيفية تحول المواد والأجهزة أثناء التشغيل ، يمكننا تصميم مناهج أكثر متانة وبالتالي تقليل النفايات.
بالنسبة للدراسة الحالية ، صممت توما وفريقها نموذجًا لجهاز الوقود الشمسي يُعرف باسم خلية كهروضوئية (PEC) مصنوعة من أكسيد النحاس (I) أو أكسيد النحاس (Cu 2 O) ، وهي مادة واعدة في التمثيل الضوئي الاصطناعي.
لطالما حير أكسيد النحاسي العلماء ، لأن قوة المادة – تفاعلها العالي مع الضوء – هي أيضًا ضعفها ، حيث يتسبب الضوء في تحلل المادة في غضون دقائق قليلة من التعرض. ولكن على الرغم من عدم استقراره ، فإن أكسيد النحاس هو أحد أفضل المواد المرشحة لعملية التمثيل الضوئي الاصطناعي لأنه ميسور التكلفة نسبيًا وله خصائص مناسبة لامتصاص الضوء المرئي.
لفهم كيفية تحسين ظروف العمل لهذه المادة الواعدة بشكل أفضل ، ألقت توما وفريقها نظرة فاحصة على التركيب البلوري لأكسيد النحاس قبل الاستخدام وبعده.
أكدت تجارب المجهر الإلكتروني في المسبك الجزيئي أن أكسيد النحاس يتأكسد أو يتآكل بسرعة في غضون دقائق من التعرض للضوء والماء. في أبحاث التمثيل الضوئي الاصطناعي ، استخدم الباحثون الماء عادةً كمحلول إلكتروليت في تقليل ثاني أكسيد الكربون إلى مواد كيميائية أو وقود متجدد ، مثل الإيثيلين والهيدروجين – لكن الماء يحتوي على أيونات الهيدروكسيد ، مما يؤدي إلى عدم الاستقرار.
لكن تجربة أخرى ، هذه المرة باستخدام تقنية تسمى التحليل الطيفي الكهروضوئي للأشعة السينية للضغط المحيط (APXPS) في مصدر الضوء المتقدم ، كشفت عن دليل غير متوقع: أكسيد النحاس يتآكل بشكل أسرع في الماء المحتوي على أيونات الهيدروكسيد ، وهي أيونات سالبة الشحنة تتكون من ذرة الأكسجين مرتبطة بذرة هيدروجين.
قال توما: “كنا نعلم أنه غير مستقر – لكننا فوجئنا بمدى عدم استقراره حقًا”. “عندما بدأنا هذه الدراسة ، تساءلنا ، ربما لا يكون المفتاح إلى جهاز وقود شمسي أفضل في المادة بحد ذاتها ولكن في البيئة العامة للتفاعل ، بما في ذلك الصبغة الكهربائية.”
وهذا يوضح أن الهيدروكسيدات تساهم في التآكل. من ناحية أخرى ، استنتجنا أنه إذا أزلنا مصدر التآكل ، فإنك تزيل التآكل ، “كما أوضح المؤلف الأول Guiji Liu ، عالم مشروع LiSA في قسم العلوم الكيميائية في Berkeley Lab.
الكشف عن أدلة غير متوقعة للتآكل
في الأجهزة الإلكترونية ، تنفصل أزواج الثقوب الإلكترونية إلى إلكترونات وثقوب لتوليد شحنة. ولكن بمجرد فصلها ، إذا لم يتم استخدام الإلكترونات والثقوب لتوليد الكهرباء ، كما هو الحال في الجهاز الكهروضوئي الذي يحول ضوء الشمس إلى كهرباء ، أو لإجراء تفاعل في جهاز التمثيل الضوئي الاصطناعي ، فيمكنها التفاعل مع المادة وتحللها.
في عملية التمثيل الضوئي الاصطناعي ، يمكن أن يؤدي هذا التركيب إلى تآكل أكسيد النحاس إذا لم يتم التحكم فيه بشكل صحيح. لطالما افترض العلماء أن الإلكترونات هي وحدها المسؤولة عن تآكل أكسيد النحاس. ولكن لدهشة توما وليو ، أظهرت عمليات المحاكاة الحاسوبية التي أجريت في المركز القومي لأبحاث الطاقة والحوسبة العلمية (NERSC) أن الثقوب تلعب دورًا أيضًا. قال ليو: “قبل دراستنا ، افترض معظم الناس أن التحلل الناتج عن الضوء في أكسيد النحاس ناتج بشكل أساسي عن الإلكترونات ، وليس الثقوب”.
ألمحت عمليات المحاكاة أيضًا إلى حل بديل محتمل لعدم الاستقرار المتأصل في أكسيد النحاس: أكسيد النحاس المطلي بالفضة في الأعلى وأكسيد الذهب / الحديد تحته. يجب أن يُنشئ “مخطط Z” ، المستوحى من نقل الإلكترون الذي يحدث في عملية التمثيل الضوئي الطبيعي ، “قمعًا” يرسل ثقوبًا من أكسيد النحاس إلى “حوض” أكسيد الذهب / الحديد. علاوة على ذلك ، يجب أن يؤدي التنوع في المواد في الواجهة إلى استقرار النظام من خلال توفير إلكترونات إضافية لإعادة الاتحاد مع ثقوب أكسيد النحاس ، كما أوضح توما.
