سيليكون نانوي لإنتاج الهيدروجين حسب الطلب

يمكن استخدام أنابيب نانوية من السيليكون لإنتاج الهيدروجين بشكل فوري تقريباً، من خلال تفاعلها مع الماء، وذلك حسب الباحثين في جامعة بوفالو (SUNY) University at Buffalo في نيويورك. لا يحتاج التفاعل لحرارة، ضوء أو كهرباء، ويمكن استخدام الهيدروجين المتولد في مجال الطاقة في خلايا وقود صغيرة. يقول الفريق أنه يمكن لهذه التكنولوجيا أن تصبح بمتناول اليد، بطريقة إضافة الماء فقط، لإنتاج الهيدروجين حسب الطلب. تغطي هذه التقنية بالأصل قسم من الطاقة التي تنقي السيليكون وإنتاج الجزيئات النانوية في المقام الأول.
إن استخدام شطر الماء لإنتاج الهيدروجين، هو نظيف وطريق متجدد لإنتاج الطاقة، والطرق التقليدية لاستخدام الماء يتضمن التحلل الكهربائي، التحلل الحراري، والحفز الضوئي. يمكن أيضاً أن يتفاعل الماء مع سيليكون كبير الحجم لإنتاج الهيدروجين.
نظرياً، يمكن للسيليكون إطلاق مولين من غاز الهيدروجين من أجل 1 مول من السيليكون (أو 14% من وزنه على شكل هيدروجين). السيليكون متوافر بشكل كبير على كوكب الأرض، له كثافة طاقة عالية ولا يطلق غاز ثاني أوكسيد الكربون عند تفاعله مع الماء.
أسرع معدلات التفاعل:
بفضل نسبة السطح إلى الحجم الكبيرة، يمكن للجزيئات النانوية توليد الهيدروجين بشكل أسرع من السيليكونات الكبيرة. يقوم الآن فريق برئاسة باراس باراساد Paras Parasad ومارك سويهارت Mark Swihart في جامعة بوفالو، بإظهار أن زيادة معدل سرعة التفاعل هو أكبر من المتوقع وذلك اعتماداً على زيادة المساحة السطحية فقط. في الواقع، جزيئات نانوية بقطر 10 نانومتر يمكنها إنتاج الهيدروجين بأقل من دقيقة، مقارنة بزمن 45 دقيقة لجزيئات نانوية بقطر 100 نانومتر. الجزيئات النانوية بقطر 10 نانومتر أسرع ب 1000 مرة بإنتاج الهيدروجين من السيليكون ذو الحجم الكبير.
حسب فريق SUNY، الاختلاف بمعدلات توليد الهيدروجين بين جزيئات السيليكون ذات الأقطار بين ال 10 وال 100 نانومتر هو أكبر مما يمكن حسابه تبعاً لاختلاف المساحة السطحية للجزيئات. من أجل فهم هذا الاختلاف، قام الباحثون بإجراء تجارب، حيث قاموا بإيقاف التفاعل قبل استهلاك كامل السيليكون. عندما يتقدم التفاعل تصغر الجزيئات النانوية ذات الأقطار 10 نانومتر بالحجم، لكن لا يتغير شكلها وتبقى بشكل كروي تقريبا.
من ناحية أخرى فإن حجم الجزيئات النانوية ذات الأقطار 100 نانو متر لا يتغير، لكن تتشكل قشور جوفاء أو كبسولات بجدران تتكون من عدة طبقات احادية من السيليكون. الجزيئات التي تكون في البدء أكبر، أيضاً لها أقل مساحة سطحية في واحدة الحجم.
مثالي لتوفير طاقة الاجهزة المحمولة:
صورة مأخوذة بمجهر الانتقال الالكترونيTEM ، تظهر الشكل الكروي لجزيئات السيليكون النانوية بنصف قطر 10 نانومتر تقريبا. تتفاعل هذه الجزيئات مع الماء بسرعة لتوليد الهيدروجين
يقول باراساد: “مع المزيد من التطوير، يمكن أن تكون هذه التكنولوجيا مثالية من أجل توفير طاقة الاجهزة المحمولة الصغيرة وحتى استبدال محركات الغازولين والديزل كبيرة الحجم في المستقبل”
يضيف عضو الفريق فولارين ايروغبوغبو Folarin Erogbogbo: “يستطيع محرك سيليكوني نموذجي أن يشمل خلايا وقود لتوليد الهيدروجين وخراطيش من البلاستيك فيها مسحوق نانوي من السيليكون، حيث يمكن إضافة الماء عند الحاجة لإنتاج الطاقة”.
رغم أن هذه التقنية قد لا تستخدم من أجل توليد كميات كبيرة من الهيدروجين، فإن الكفاءة الكلية للعملية يمكن أن تكون مكافئة تماماً للبطاريات الأولية والمصادر الأخرى للطاقة المحمولة، التي تجعلها مثيرة للانتباه من أجل هذه التطبيقات، وهذا ما قاله سويهارت لموقع “physicsworld.com“.
لقد قام الباحثون بالأصل بتجربة تقنيتهم بنجاح في خلية وقود صغيرة استخدموها لتدوير مروحة. وهم يقومون الآن بالتخطيط لدراسة البنى النانوية للتجاويف المتشكلة بتفاعل جزيئات السيليكون الكبيرة بشكل أكثر تفصيلاً والتركيز على كيفية إنتاج الهيدروجين من جزيئات السيليكون النانوية عند خلطه مع مركبات أخرى كهيدريدات المعادن.
يشرح سويهارت: “لهذه التجاويف أو البالونات النانوية تطبيقات مثيرة للاهتمام في أماكن أخرى كأن تكون مسرى المصعد في بطاريات ايونات الليثيوم، حيث تتفاعل هيدريدات المعادن القلوية مع الماء لإطلاق غاز الهيدروجين وتنتج هيدروكسيدات المعادن القلوية (هيدروكسيد الصوديوم كمثال)، وهي مطلوبة لتحفيز تفاعل السيليكون مع الماء. تتصف هيدريدات المعادن القلوية بأنها تتفاعل مع الهواء من تلقاء نفسها، وهي غير مستقرة، لكن طلاء الهيدريدات بجزيئات نانوية قد تزيد من سعة توليد الهيدروجين للجملة، بينما تبقى مستقرة بدون أن تتفاعل مع الهواء، أي مادة سهلة الحمل”.