ثورة في الكيمياء: نظام المنغنيز الجديد للطاقة المستدامة!

ثورة في الكيمياء: نظام المنغنيز الجديد للطاقة المستدامة!

حققت فرق البحث في جميع أنحاء العالم تقدما كبيرا في محاكاة عملية التمثيل الضوئي الطبيعي، وتقدم التطورات الجديدة في الكيمياء الضوئية دليلا مثيرا للإعجاب على ذلك. فريق من جامعة يوهانس جوتنبرج ماينز طورت مجمعًا معدنيًا جديدًا يعتمد على المنغنيز الذي يُحدث ثورة في عمر الحالات المثارة ويفتح إمكانيات جديدة للتطبيقات المستدامة.

يتم استخدام الضوء بشكل متزايد كمصدر للطاقة في التفاعلات الكيميائية، لكن المحفزات السابقة غالبًا ما كانت تعتمد على معادن نادرة وباهظة الثمن مثل الروثينيوم أو الأوسيميوم أو الإيريديوم. وعلى النقيض من ذلك، فإن المنغنيز ليس رخيص الثمن فحسب، بل إنه أكثر وفرة بأكثر من 100000 مرة من الروثينيوم. يتمتع مجمع المنغنيز الجديد أيضًا بعمر استثنائي يزيد عن 190 نانو ثانية.

الخصائص الثورية لمجمع المنغنيز الجديد

تم تحضير مركب المنغنيز من خلال تخليق بسيط في خطوة واحدة من المواد الأولية المتوفرة تجاريًا. يجمع هذا التوليف بين ملح المنغنيز عديم اللون مع يجند عديم اللون، مما يؤدي إلى اللون الأرجواني العميق. تتيح هذه الخاصية الرائعة امتصاصًا قويًا للضوء وكفاءة عالية في استخدام الضوء. يمكن للمجمع نقل الإلكترونات إلى جزيئات أخرى، وهو ما ظهر بوضوح من خلال الكشف عن المنتج الأولي للتفاعل الضوئي.

ويوسع اكتشاف فريق البحث من إمكانيات الكيمياء الضوئية المستدامة وله تطبيقات محتملة في إنتاج الهيدروجين، وهو مجال بالغ الأهمية للطاقة المتجددة. الهدف هو تقسيم جزيئات الماء بكفاءة باستخدام الطاقة الشمسية وإنتاج مصادر الطاقة الكيميائية.

الابتكار في عملية التمثيل الضوئي الاصطناعي

وفي الوقت نفسه، يعمل العلماء على معهد ماكس بلانك لتحويل الطاقة الكيميائية حول التقليد الاصطناعي لعملية التمثيل الضوئي الطبيعي لتطوير مصادر الطاقة النظيفة. وينصب التركيز على تقسيم الماء الناتج عن الضوء، وهي عملية تحدث في الطبيعة ولكنها معقدة من الناحية الفنية لإعادة إنتاجها. نجح الفريق في حل بنية مركب المنغنيز والكالسيوم الذي يقسم الماء وينتج الأكسجين.

يتكون المحفز من أربع ذرات منجنيز وذرة كالسيوم واحدة، وهي مدمجة في بروتين غشائي للنظام الضوئي II. ومن خلال دورة تطلق البروتونات والإلكترونات والأكسجين الجزيئي، يمكن أن يؤدي هذا النهج إلى تطوير محفزات فعالة من حيث التكلفة ومستوحاة من الحيوية والتي تقلل الاعتماد على الوقود الأحفوري، وخاصة في قطاع النقل.

تم التغلب على التحدي المتمثل في عزل وتوصيف بنية مجمع المنغنيز والكالسيوم باستخدام أحدث التحليل الطيفي للرنين المغزلي الإلكتروني (ESR) والأساليب النظرية الجديدة. يمكن أن تكون هذه النتائج بمثابة مخطط للأنظمة الاصطناعية المستقبلية التي تخزن الطاقة الشمسية كطاقة متاحة كيميائيًا.

المعنى والنظرة

التطورات على حد سواء معهد ماينز وكذلك على معهد ماكس بلانك هي رائدة. ويعمل الباحثون على تحسين العمليات التحفيزية بشكل أكبر، وخاصة أكسدة الماء، وهو تفاعل كيميائي مركزي في عملية التمثيل الضوئي. إن استخدام المعادن الشائعة وغير المكلفة مثل المنغنيز يمكن أن يقلل بشكل كبير من تكاليف إنتاج الهيدروجين وأنواع الوقود الشمسي الأخرى.

إن احتمالية التمثيل الضوئي الاصطناعي الفعال، الذي يحل العديد من مشاكل إنتاج الطاقة وتقليل ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي، لا يصبح أكثر واقعية فحسب، بل يعد أيضًا خطوة نحو إنتاج الطاقة المستدامة.