ترجمة: محمد جواد آل السيد ناصر الخضراوي

تُظهر الصفائح النانوية ثنائية الأبعاد ذات البنية غير المتجانسة، والمُصنّعة عبر عملية حرارية مائية مُتحكّم بها، أداءً مُحسّنًا في التحفيز الضوئي لتحليل الماء. يُوفّر ازدياد خشونة السطح ومساحة السطح النوعية مواقع نشطة أكثر، مما يؤدي إلى معدلات إنتاج هيدروجين أعلى تصل إلى 2950 × غرام⁻¹ × ساعة⁻¹. تُعدّ خصائص السطح أكثر أهمية من تكوين الوصلة غير المتجانسة وحدها.

على مدى العشرين عامًا الماضية، حظي الهيدروجين الأخضر المُنتَج باستخدام ضوء الشمس باهتمام كبير باعتباره مسارًا واعدًا نحو مستقبل منخفض الكربون. ومن بين الطرق المختلفة لإنتاج الهيدروجين باستخدام الطاقة الشمسية، تبرز عملية التحفيز الضوئي لبساطتها وانخفاض تكلفتها وقابليتها للتوسع.

ويُعدّ تكوين هياكل غير متجانسة ثنائية الأبعاد/ثنائية الأبعاد ذات روابط كيميائية، والتي تجمع بين مادتين شبه موصلتين بمواقع مناسبة لحواف نطاق الطاقة لتمكين نقل الشحنة المباشر وفقًا لآلية “زي” (Z)[1]، إحدى الاستراتيجيات التي تعالج في آنٍ واحد العديد من تحديات التحفيز الضوئي. وقد أُجريت عملية المعالجة الحرارية المائية باستخدام صفائح أكسيد البزموت والتيتانيوم (Bi₄Ti₃O₁₂) وكلوريد السترونتيوم سداسي الهيدرات (SrCl₂·6H₂O) كمواد أولية في جهاز تعقيم بالبخار المضغوط (أوتوكلاف)[2].

وألقت دراسة جديدة (الرابط: http://DOI: 10.1016/j.cej.2025.171758)، نُشرت في مجلة الهندسة الكيميائية (Chemical Engineering Journal)، الضوء على توجيه عملية التحويل الحراري المائي من أكسيد البزموت والتيتانيوم (Bi₄Ti₃O₁₂) إلى تيتانات السترونتيوم (SrTiO₃) للتحكم بدقة في خشونة السطح والخصائص التحفيزية الضوئية للصفائح النانوية ثنائية الأبعاد تيتانات السترونتيوم / أكسيد البزموت والتيتانيوم (SrTiO₃/Bi₄Ti₃O₁₂).

وتشمل الفوائد الرئيسية انخفاض معدل إعادة التركيب، وسرعة نقل الشحنات بين الأسطح، وسرعة نقل الشحنات إلى السطح، والحفاظ على قدرة عالية على الأكسدة والاختزال. ويُعزى التحسن الكبير في النشاط التحفيزي الضوئي للصفائح النانوية الخشنة ذات المساحة السطحية العالية، بلا شك، إلى وجود مواقع نشطة أكثر.

ويُعزى التحسن الملحوظ في إنتاج الهيدروجين إلى زيادة خشونة الصفائح النانوية، مما أدى إلى معدلات إنتاج أعلى بكثير تصل إلى 2950 × غرام⁻¹ × ساعة⁻¹. وتلعب مساحة السطح النوعية الكبيرة، التي تضم مواقع نشطة أكثر، دورًا أكثر أهمية في النشاط من مجرد تكوين الوصلات غير المتجانسة.

ويقول المؤلف المشارك، الأستاذ المتميز في الهندسة الكيميائية بجامعة تايوان الوطنية، البروفيسور جيفري سي. إس. وو: “تُبرز نتائج هذه الدراسة أهمية فهم عملية التخليق وإتقانها بدقة لتحضير أي مادة وظيفية نانوية البنية. وقد أثبت تكوين الصفائح النانوية غير المتجانسة ثنائية الأبعاد جدوى تطوير صفائح نانوية ثنائية الأبعاد، وزيادة الكفاءة الكمية، وتحقيق معايير جديدة في التحليل الضوئي للماء”.

ـــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــ

المصدر

https://phys.org/news/2026-01-green-unique-dimensional-photocatalysts.html

[1] يُعد نقل الشحنة وفق مخطط “زي” (Z) آلية تحفيز ضوئي تحاكي عملية التمثيل الضوئي الطبيعية، حيث تتحد الإلكترونات من نطاق التوصيل عالي الطاقة لأحد أشباه الموصلات مع الفجوات في نطاق التكافؤ منخفض الطاقة لشبه موصل آخر. تفصل هذه العملية الشحنات بكفاءة، مما يحافظ على أكسدة قوية في نطاق التكافؤ لأحدهما واختزال قوي في نطاق التوصيل للآخر.

[2] جهاز التعقيم بالبخار المضغوط (أوتوكلاف Autoclave) هو جهاز تعقيم بالبخار عالي الضغط ودرجة الحرارة، يُستخدم عادةً في المرافق الطبية والمختبرية للقضاء على الكائنات الدقيقة والجراثيم والبكتيريا. وباستخدام البخار المشبع، عادةً عند درجة حرارة 121 درجة مئوية (250 درجة فهرنهايت) وضغط يتراوح بين 15 و20 رطل لكل بوصة مربعة، يُعقّم الجهاز المعدات والأواني الزجاجية وأوساط الاستنبات بكفاءة عالية.