العربيةتصفح الكمية:0 الكاتب:محرر الموقع نشر الوقت: 2022-08-17 المنشأ:محرر الموقع
إن البشرية تواجه تحدياً مركزياً: إذ يتعين عليها أن تدير عملية التحول إلى اقتصاد طاقة مستدام ومحايد لثاني أكسيد الكربون.
ويعتبر الهيدروجين بديلا واعدا للوقود الأحفوري. ويمكن إنتاجه من الماء باستخدام الكهرباء. أما إذا كانت الكهرباء تأتي من مصادر متجددة فيسمى الهيدروجين الأخضر. ولكن سيكون الأمر أكثر استدامة إذا أمكن إنتاج الهيدروجين مباشرة باستخدام طاقة ضوء الشمس.
في الطبيعة، يحدث انقسام الماء بفعل الضوء أثناء عملية التمثيل الضوئي في النباتات. تستخدم النباتات جهازًا جزيئيًا معقدًا لهذا الغرض، يسمى النظام الضوئي II. تعد محاكاة مركزها النشط استراتيجية واعدة لتحقيق الإنتاج المستدام للهيدروجين. يعمل فريق بقيادة البروفيسور فرانك فورتنر في معهد الكيمياء العضوية ومركز كيمياء النظم النانوية في جامعة يوليوس ماكسيميليانز فورتسبورغ (JMU) على هذا الأمر.
تقسيم الماء ليس بالأمر الهين
الماء (ح2O) يتكون من ذرتين أكسجين وذرتين هيدروجين. تمثل الخطوة الأولى لتقسيم الماء تحديًا: لإطلاق الهيدروجين، يجب إزالة الأكسجين من جزيئين ماء. للقيام بذلك، من الضروري أولاً إزالة أربعة إلكترونات وأربعة بروتونات من جزيئين الماء.
هذا التفاعل التأكسدي ليس تافهاً. تستخدم النباتات بنية معقدة لتحفيز هذه العملية، تتكون من كتلة تحتوي على أربع ذرات منغنيز يمكن أن تنتشر فوقها الإلكترونات. لقد قام فريق فورتنر بتطوير حل مماثل خلال أول اختراق لهم تم نشره في المجلات كيمياء الطبيعة و علوم الطاقة والبيئة في عامي 2016 و2017، ظهر نوع من 'الإنزيم الاصطناعي' الذي يمكنه إدارة الخطوة الأولى لتقسيم الماء. محفز أكسدة الماء هذا، والذي يتكون من ثلاثة مراكز روثينيوم تتفاعل في بنية حلقية كبيرة، يحفز بنجاح عملية أكسدة الماء التي تتطلب ديناميكا حرارية.
النجاح بجيب اصطناعي
الآن، نجح الكيميائيون في JMU في إجراء التفاعل المعقد بكفاءة على مركز واحد من الروثينيوم. وفي هذه العملية، فقد حققوا أنشطة تحفيزية عالية مماثلة كما هو الحال في النموذج الطبيعي، جهاز التمثيل الضوئي للنباتات.
'لقد أصبح هذا النجاح ممكنًا لأن طالب الدكتوراه لدينا، نيكلاس نول، قام بإنشاء جيب اصطناعي حول محفز الروثينيوم. حيث يتم ترتيب جزيئات الماء اللازمة لنقل الإلكترون المقترن بالبروتون المرغوب أمام مركز الروثينيوم في ترتيب محدد بدقة، مشابه يقول فرانك وورثنر: 'ما يحدث في الإنزيمات'.
الهدف طويل المدى لمجموعة فورتسبورغ هو دمج محفز أكسدة الماء في جهاز اصطناعي يقوم بتقسيم الماء إلى أكسجين وهيدروجين بمساعدة ضوء الشمس. سيستغرق هذا بعض الوقت، حيث يجب أن يقترن المحفز بمكونات أخرى لتشكيل نظام شامل فعال - مع أصباغ حصاد الضوء ومع ما يسمى بمحفزات الاختزال.
