بلورة بصرية تقطّر الهيدروجين من الماء بتكلفة تنافسية

قد تفتح تقنية جديدة تعتمد على البلورات مساراً واعداً لإنتاج وقود هيدروجيني أنظف وأقل كلفة، عبر استغلال الطاقة الضوئية لتحويل الماء مباشرة إلى غاز. فبينما يمكن استخدام الهيدروجين لتشغيل سيارات خلايا الوقود، فإن إنتاجه من الغاز الطبيعي يطلق ثاني أكسيد الكربون قبل وصوله إلى الخزان. ورغم أن الماء مصدر بديل للهيدروجين، إلا أن فصل ذراته عن الأكسجين يتطلب طاقة، مما يجعل الإمداد النظيف مكلفاً بشكل ملحوظ.

تحدي التكلفة في الهيدروجين الأخضر

تواجه عملية التحفيز الكهربائي، التي تفصل الهيدروجين عن الماء باستخدام الكهرباء والمحفزات، تحديات اقتصادية كبيرة. يعتمد هذا النهج على استدامة الكهرباء المتجددة ورخص ثمنها للمنافسة مع الهيدروجين المشتق من الغاز الطبيعي. ويشير كيرياكوس ستيليانونو، الكيميائي بجامعة ولاية أوريغون، إلى فجوة سعرية جوهرية؛ إذ يبلغ تكلفة إنتاج كيلوغرام واحد من الهيدروجين عبر إصلاح الميثان بالبخار نحو 1.50 دولار، مقابل حوالي 5 دولارات للكيلوغرام الواحد من الهيدروجين الأخضر. وتكتسب هذه الأرقام أهمية تتجاوز محطات الوقود، نظراً لدخول الهيدروجين في صناعات الأمونيا وتكرير المعادن وتصنيع البلاستيك.

هندسة المواد المسامية

في محاولة لسد هذه الفجوة، طور ستيليانونو وفريقه عائلة من المواد التي تنتج الهيدروجين من الماء بسرعة وكفاءة باستخدام الضوء. وتركز الدراسة، المنشورة في مجلة الجمعية الكيميائية الأمريكية، على مادة بلورية مسامية تُسمى BVR-19. تتكون هذه المادة من جزيئات عضوية تربط بين أيونات معدنية موجبة الشحنة ضمن هيكل يحتوي على مسام نانوية، وهي ما يعرف بالأطر المعدنية العضوية (MOFs). تتيح هذه الهياكل للكيميائيين ضبط خصائص المواد عبر اختيار معادن ومكونات بناء عضوية مختلفة، حيث تم تخليق ما يقرب من 100,000 إطار معدني عضوي حتى الآن، مع توقع خصائص نصف مليون أخرى من أصل ملايين التصاميم الممكنة.

دور الكبريت في امتصاص الضوء

عند سقوط الضوء على مادة BVR-19، ينكسر مؤقتاً رابطة بين ذرتي كبريت، مما يخلق أنواعاً كبريتية نشطة. هذا الاستجابة تجعل المادة محفزاً ضوئياً، إذ تمتص الضوء وتنتقل إلى حالة طاقة أعلى، مستخدمة تلك الطاقة لدفع التفاعل الكيميائي. يقول ستيليانونو إن "المكون العضوي يقوم بالعمل المهم"، موضحاً أن المادة لا تعتمد أساساً على الذرات المعدنية، بل تستخدم كتل البناء العضوية المحتوية على الكبريت لالتقاط طاقة الضوء ونقل الإلكترونات إلى مواقعها اللازمة لإنتاج الهيدروجين. يمثل هذا النهج تغييراً في طريقة التفكير حول تصميم هذه المواد.

مزايا تصنيعية وبحثية

تنجز مادة BVR-19 عملها دون الحاجة إلى محفز معدني إضافي باهظ الثمن، وهو ما قد يبسط الأنظمة المستقبلية لإنتاج الهيدروجين بالضوء. كما تتمتع المادة بميزة تصنيعية قوية، إذ تتشكل تلقائياً في محلول مائي عند درجة حرارة الغرفة. يرى ستيليانونو، الذي يدير مختبر اكتشاف المواد (MaD Lab) في الجامعة، أن النتائج توفر دليلاً إرشادياً لتصميم مواد أفضل تخفض تكلفة الهيدروجين الأخضر. وقد دعمت الدراسة مؤسسة مردوك الخيرية، ومؤسسة العلوم الوطنية، وكلية العلوم في جامعة ولاية أوريغون.

استناداً إلى الورقة البحثية بعنوان "نقل الشحنة داخل الربيط في الأطر المعدنية العضوية يسهل تطور الهيدروجين الوسيط بالجذور الحرة"، والتي نشرها إيمانويل نيلا موسا وزملاؤه في 14 سبتمبر 2026، فإن الاكتشاف يقدم قواعد تصميم جديدة لإنشاء مواد أكثر فعالية لإنتاج الوقود الشمسي.