الاتجاهات الناشئة في مجال التقلبات الحرارية في الطبقات الحرارية حفز الطاقة الخضراء

ويقف هذا المجال في مقدمة الكيمياء المستدامة، حيث يوفر مسارا مباشرا لتحويل الطاقة الشمسية إلى طاقة كيميائية، ويعزز المواد شبه الموصلية للبدء في ردود فعل جديدة في إطار الإشعاع الخفيف، ويتصدى للتحديات الحاسمة في إنتاج الطاقة الخضراء، بما في ذلك توليد الهيدروجين النظيف، وتدهور الملوثات، وبث صورة مسببة لثاني أكسيد الكربون.

أحدث التطورات في المواد الفوتوغرافية

Doped Metal Oxides

(أ) أن تكون عوامل التفكيك ذات التأثيرات الفموي التقليدية مثل ثاني أكسيد التتانيوم (TiO2) وأكسيد الزنك (ZnO) قد درست منذ وقت طويل بسبب استقرارها وتدني تكلفتها، غير أن الثغرات الواسعة النطاق التي تشوبها عوامل التركيز على التكتلات الشمسية (مثلاً، 3.2 eV بالنسبة لثاني أكسيد الكربون) تحد من استيعاب المادة الفوقية إلى منطقة الأشعة فوق البنفسجية، التي لا تشكل سوى 5 في الطيف الشمسي.

Graphitic Carbon Nitride (g —C3N4)

(أ) نشأت نيترات الكربون الخام كجهاز تصويري خالي من المواد، مرئي ومرئي، مع وجود فجوة في النطاقات تبلغ نحو 2.7 كيلوفولط. وقد أثبت هيكله المطبق، واستقراره الحراري والكيميائي، وتوليفه من السلائف الوفيرة، أنه مرشح جذاب لعمليات الطاقة الخضراء.

Perovskite Photocatalysts

(ب) وقد اكتسبت هايليدي بيروفسكيت، مثل CH3NH3PbI3 وCsPbBr3، اهتماماً لاستيعابها الخفيف وتعبئة المكثفات العالية، وعلى الرغم من أنها تستخدم في المقام الأول في التصوير الفلكي، فإنها تستكشف من أجل ردود الفعل المسببة للصدمات، ولا سيما في خفض ثاني أكسيد الكربون والتحولات العضوية، وتشمل التحديات عدم الاستقرار في وجود معاطف وأكسجين.

مواد دفاعية غير قابلة للطي

وقد توسعت أسرة محللين مختصين بالتصوير الإشعاعي (D) ليشمل الدهكالوجينات المعدنية الانتقالية (مثلاً، موز-2، وسادس-2)، وكمبيوترات الهيدروكسيد المزدوجة، وميكسينات، وهذه المواد توفر مناطق سطحية محددة، ومواقع حافة واسعة النطاق، وفجوات النطاق الترددي التي لا يمكن تحصيها، مثلاً، تظهر مواد متجانسة مصممة خصيصاً لتطورة كهيدروكة.

Metal —Organic Frameworks (MOFs) and Covalent Organic Frameworks (COFs)

وتوفر الأطر الكريستالية الشائعة مثل الرؤوس العاملة المتعددة الأطراف ومواد الكربون الكلورية الفلورية مناطق سطحية عالية وقدرة على إدماج مجموعات المعادن ذات التفاعل الضوئي أو الروابط العضوية، وتسمح طبيعتها النموذجية بمراقبة دقيقة لحجم القصائد، والوظيفية، وهيكل النطاقات، كما أن العديد من هذه المركبات تعمل كأجهزة استشعار للضوء ومواقع حفازة، مما يتيح ردود فعل الاصطناعية، وعلى سبيل المثال، يظهر وجود نشاط مرئي في مجال الإنتاج التراكمي للشحنات التراكمية.

التقنيات والاستراتيجيات الناشئة

تنظيم النانو ومكافحة المورفولوجيا

ويؤثر المورفولوجيا الفوتوغرافية الهندسية في النانوكال تأثيراً كبيراً على الأداء، إذ إن المورفات العالية التجميل مثل النانوويات، والنانووب، والهيدروكيات النانوية، والهياكل الميكروفية تزيد من عدد المواقع النشطة وتقصر مسار التفريغ لحاملات الشحن على السطح، وتفرض رقابة على بلورات الوجه، على سبيل المثال، مما يؤدي إلى زيادة قدرة المركبات على الارتداد إلى الارتداد إلى حد كبير.

التحديث السطحي مع محللي العمليات

ويحسن نشاط المصانع النبيلة مثل المعادن النبيلة (Pt, Au, Pd) أو المواد المتروكة من الأرض (MoS2, Ni(OH)2, CoOx) على سطح محلل الصور بدرجة كبيرة، ويخدم المحللون الكوتا أدوارا متعددة: فهي توفر مواقع نشطة لتكوين المنتجات، وتستخرج الصور الفوتوغرافية أو الثقوب، وتخفض تكاليف الاختلالات الحرارية بالنسبة إلى

Heterojunction Engineering (Type‐II, Z‐Scheme, SScheme)

(أ) إن إنشاء موصلات للهيدروكربونات بين موصلين أو أكثر هو واحد من أكثر الاستراتيجيات فعالية لتعزيز الفصل المكاني لحاملات الشحنات المزودة بالتصوير الضوئي وتوسيع نطاق استيعاب الضوء، وتتيح عمليات التحلل الحراري من النوع الثاني نقل الإلكترونيات والثقوب إلى مواد مختلفة، مع تقليل احتمالات الارتحال،

شركة نفط

فإحداث عيوب خاضعة للرقابة - مثل شواغر الأكسجين أو شواغر النيتروجين أو الاضطرابات السطحية - يمكن أن يغير الهيكل الإلكتروني للمحللين الضوئيين، ويخلق حالات الاستيعاب في منتصف الغبار التي تعزز الامتصاص في الضوء وتخدم كمواقع نشطة، مثلاً، يؤدي شواغر الأوكسجين في التيو 2 أو زينو إلى تحسين الفصل بين الشحنات وتوفير مواقع للاستيعاب المتفاعل، ويكمن على وجه التحديد دون تشجيع تقنيات التكسيد المتزامن.

تعزيز البلاستيك

ويستخدم هذا الطبق من مواد البلازمونية ذات الصبغة الفلزية (مثلاً، أ، أ، كو) التي تحتوي على مصانع شبه موصلات، في حرق البلازمون السطحي المحلي، لتضخم الصبغ، ويولد الأثر البلازموني حقول الكهرومغناطيسية شديدة التقريب، مما يزيد من معدل توليد المواد الفوقية في شبه الموصلات شبه المتناقلة.

التطبيقات في الطاقة الخضراء

توزيع المياه الفوتوكاتوليتية لإنتاج الهيدروجين

(أ) إنَّ الـ (HFT) التي تُولَّد عن طريق تقسيم المياه الضوئية هي وقود نظيف ذي كثافة عالية من الطاقة، وتتطلب هذه العملية موصلاً شبه موصل يمكن أن يستوعب الضوء ويُولِّد أزواجاً من الكولونات الإلكترونية (HER) وتفاعل تطور الأوكسجين (OERT) مع العديد من أجهزة الاستنشاق الضوئية في وحدات خفض الانبعاثات، وهي في كثير من الأحيان خطوة مقسمة إلى حد بعيد

خفض أكسيد الكربون الفيوكاتولية

(أ) تحويل ثاني أكسيد الكربون إلى وقود أو قيمة كيميائية مضافة (مثلاً، أول أكسيد الكربون، الميثانول، حمض الأورام الخماسية) باستخدام عناوين الضوء الشمسي لكل من مستويات ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي وتخزين الطاقة، وتشمل التحديات الرئيسية استقرار ثاني أكسيد الكربون في الحرارة، والحاجة إلى التنافس مع تفاعل تطور الهيدروجين في النظم ذات الكهرموز؛

التحلل المتعمد ومعالجة البيئة

وبالإضافة إلى ذلك، فإن الأكسدة الفوقية في الأوكسيد المغناطيسي لا تزال واحدة من أكثر التطبيقات نضجا، ولا سيما بالنسبة للملوثات العضوية المهينة في المياه والهواء، كما أن عمليات مثل تدهور الأصابع، والصيدلة، والمواد الكيميائية الصناعية تعتمد على أنواع الأكسجين الرجعية (متطرفات الهيدروكسيل، والأكسيد الفوقي) التي تولد على سطح الحفاز.

تركيبة النيتروجين المتحركة

ويُعد إنتاج الأمونيا عن طريق عملية هابر - بوش كثيفة الطاقة وتحتوي على كميات كبيرة من ثاني أكسيد الكربون، كما أن تركيب النيتروجين الفوتوكاتالي في ظروف مأمونة يوفر بديلاً أخضراً، وعلى الرغم من أن التقارير المبكرة أظهرت وجود أوجه قصور في الكفاءة، فإن التقدم الذي أحرز مؤخراً في المواد الغنية بالنسيج المثري من نوع بيوبر أو التنغستنبطي من التر - 2 قد حسّن التحدي.

الآفاق والتحديات المستقبلية

Scalability and Reactor Engineering

وتقيَّم معظم المصانع ذات الأداء العالي في مفاعلات الدفع الصغيرة ذات المصادر الخفيفة الاصطناعية، وتستلزم ترجمة هذه النتائج إلى نظم عملية النظر بعناية في توزيع الضوء، والنقل الجماعي، والتنقية الحفازة، والعملية المستمرة، كما أن مفاعلات المياه ذات الصبغة العالية ولكنها تعاني من ارتفاع طفيف، كما أن مفاعلات الألياف الثابتة والبصرية يمكن أن تحسن استخدام الطاقة الضوئية في جميع أنحاء العالم.

الاستقرار والاستمرارية

ولا يزال الاستقرار الطويل الأجل في ظل الأشعة والبيئات الرجعية يشكل حاجزا رئيسيا، إذ يخضع العديد من محللي الصور للصدمات الضوئية أو التسمم السطحي أو التدهور الهيكلي بمرور الوقت، وتشمل الاستراتيجيات الرامية إلى تحسين الاستقرار المعاطف الواقية، وإدماج المكونات غير الدقيقة، وآليات التسخين الذاتي، على سبيل المثال، يمكن استخدام طبقات الأشعة أو النيترات الكربونية على قمة المواد غير المستقرة أن تحميها من عمليات التحويل الكهرو.

عناصر التكلفة والأرض

ويحتوي العديد من أكثر المواد كفاءة في مجال الفوتوكاتلي على عناصر نادرة أو باهظة التكلفة (مثل المعادن النبيلة واللغة والغاليوم) والانتقال إلى المواد الأرضية المسببة للعمود ضرورية لنشرها على نطاق واسع، كما أن معدلات النيكل والكوبالت والكربون والنيتروجين القائمة على النيتروجين تُدرس بصورة مكثفة، مثلاً، معدلات النيتروجين المقترنة بالنيكل المزودة بالنيكفينات الميكانيكية المحتوية على الميكانيكية كثية

التفاهم الميكانيكي والتصنيع في الموقع

وتتوفر تقنيات المضاربة المتقدمة والميكروسكوبية - بما في ذلك المطياف الاستيعابي العابر، ورامان مسطح، وفي الاستيعاب بالأشعة السينية في الموقع - نظرة غير مسبوقة على ديناميات ناقلات الشحن، والوسطاء السطحي، ومسارات الرد، وتساعد التقنيات المفصولة زمنياً على تحديد الاختناقات في الفصل والتحويل.

التكامل مع التكنولوجيات المتجددة الأخرى

وقد تكمن الحدود المستقبلية للطاقة الخضراء المسببة للصدمات الضوئية في النظم الهجينة التي تُجري تحليلات للصور الفوتوغرافية مع خلايا فولطية، أو أجهزة كهربائية كهربائية، أو تحفيز حراري، مثلاً، حيث يؤدي التحلل الكهربائي الفولطي الضوئي إلى زيادة كفاءة الطاقة الكهربائية الشمسية - إلى الهيدروجينية عن التحلل الضوئي، ولكن دمج عنصر مبدئي متطور في التصوير الضوئي(أ).

وباختصار، فإن التحفيز المتجانس للصور الفوتوغرافية يتطور بسرعة من خلال المواد الابتكارية، والفهم الميكانيكي المتقدم، وتصميم المفاعلات الإبداعية، وفي حين أن التحديات الكبيرة لا تزال قائمة - خاصة من حيث الاستقرار، والتكلفة، والقدرة على التصعيد - لا تزال في الميدان تنتج عن عمليات انطلاق مثيرة تقرب من الواقع عمليات الطاقة الخضراء المستدامة، فإن استمرار الاستثمار في البحوث الأساسية والتعاون بين التخصصات سيكون ضرورياً لتسخير كامل إمكانات أشعة الشمس.