ما هي عملية التحفيز الضوئي وكيف تعمل وما هي اهم تطبيقاتها التقنية الحالية والمتوقعة في المستقبل القريب؟ كل هذا سوف نتعرف عليه من خلال هذا المقال من سلسلة مقالات كيف تعمل الاشياء.
التلوث الحادث في البيئة يعتبر من المشاكل الاساسية التي تواجه العالم باسره ولا سيما وان هذا التلوث الذي يؤثر سلبا على حياتنا اليومية في تزايد مستمر، حتى اصبحت مشكلة التلوث من المشاكل الخطيرة التي لا يمكن ان تهمل بدون وضع علاج لها. ونذكر من امثلة التلوث البيئي على سبيل المثال:
ـ تلوث المياه بسبب مخلفات المصانع والمنازل.
ـ تلوث الهواء بأكاسيد الكبريت والنيتروجين والتي تسبب امراض في الجهاز التنفسي.
ـ تلوث هواء الغرفة الناتج عن المركبات العضوية التي تدخل في تركيب المنزل واثاثه
ـ مركبات الدوكسين السامة الناتجة عن رماد المواد الصمغية.
في الواقع وجد ان استخدام الطاقة للتخلص من هذه المصادر المتعددة للتلوث البيئي سبب مشكلة اخرى وهي زيادة نسبة انبعاث ثاني اكسيد الكربون في الجو والتي سببت ارتفاع درجة حرارة الكرة الارضية والتي تعرف باسم global warming ، ومن الحكمة هنا ان لا نستمر في استخدام الطاقة كوسيلة مضادة لمكافحة التلوث لأنها بالفعل سببت في مشكلة اخرى لا تقل خطورة عن مشكلة التلوث وفي نفس الوقت لا يمكن ايقاف النهضة التكنولوجية والصناعية.
وفي مثل هذه الظروف لابد من البحث عن بديل لحل هذه المعضلة من خلال ايجاد مادة جديدة لا تسبب ضرر اضافي للبيئة وفي نفس الوقت تعمل على اعادة الظروف البيئية لوضعها الاصلي باستخدام مصادر الطاقة الطبيعية مثل اشعة الشمس والتي هي جزء من التوازن البيئيومصدر رخيص لطاقة لا تنضب. من هنا جاءت اهمية عملية التحفيز الضوئي photocatalysis .
ما هي عملية التحفيز الضوئي photocatalysis ؟
كلمة تحفيز ضوئي photocatalysis هي كلمة مركبة من جزئيين الجزء الاول photo وتعني الضوء والجزء الثاني catalysis وتعني التحفيز.
تعتمد عملية التحفيز على مادة تعمل على زيادة معدل تحول المواد المتفاعلة بدون ان تتأثر هذه المادة او ان تستنزف. تعرف هذه المادة باسم الـ catalyst أي المحفز. وتقوم بزيادة معدل التفاعل عن طريق تقليل طاقة التنشيط اللازمة له. وبالتالي فان عملية التحفيز الضوئي هي عبارة عن تفاعل يستخدم فيه الضوء كمنشط للمادة التي سوف تعمل على زيادة معدل التفاعل الكيميائي بدون ان يكون لها دور في التفاعل نفسه.
لتوضيح الفكرة اكثر نأخذ مثالا من الطبيعة فمثلا مادة الكلوروفيل Chlorophyll في النباتات هي محفز ضوئي طبيعي. والفرق بين الكلوروفيل والمحفز الصناعي هو ان الكلوروفيل يقوم بامتصاص ضوء الشمس لتحويل الماء وثاني اكسيد الكربون إلى اكسجين وجلوكوز، ولكن المحفز الصناعي يعطي مركب مؤكسد قوي جدا يعمل على كسر روابط المواد العضوية السامة والبكتيريا عند تعرضه لضوء الشمس او الضوء العادي ويحولها إلى ثاني اكسيد الكربون وماء ..
ويمكن استخدام هذا المبدأ ايضا في معالجة المياه وتنقيتها، وكذلك تحلل اكاسيد النيتروجين السامة في الهواء، وتنقية الهواء في غرف المنازل واماكن العمل وغيرها من التطبيقات المفيدة.
دور المحفز الضوئي واستخداماته يمكن ان نقسمها لفئات اساسية هي:
ـ تنقية المياه.
ـ منع التلوث.
ـ مضاد للبكتيريا.
ـ التخلص من الروائح الكريهة.
ـ تنقية الهواء.
كل هذه التطبيقات تعتمد على ضوء الشمس او الاشعة فوق البنفسجية من أي مصدر في وجود مادة التحفيز الضوئي فما هي المادة السحرية التي سوف تقوم بهذه الاعمال مستفيدة من اشعة الشمس ..
أي من المركبات مرشح كمحفز ضوئي؟
لقد وقع الاختيار على اشباه الموصلات semiconductors لتكون محفز ضوئي لان مواد اشباه الموصلات تمتلك فجوة طاقة صغيرة بين حزمة التكافؤ وحزمة التوصيل. ولكي تتم عملية التحفيز الضوئي تمتص مادة شبه الموصل طاقة من اشعة الشمس مثلا او من مصدر اشعة فوق بنفسجية مساوية على الاقل لفجوة الطاقة فتنتقل الكترونات من حزمة التكافؤ إلى حزمة التوصيل فيصبح لدينا الكترون في حزمة التوصيل وفجوة موجبة في حزمة التكافؤ. الفجوة الموجبة تعتبر مؤكسد قوي يمكنه اكسدة الجزئيات.
مسحوق ثاني اكسيد التيتانيوم TiO2
من بين مواد اشباه الموصلات الممكن استخدامها كمحفز ضوئي مادة ثاني اكسيد التيتانيوم Titanium Dioxide والذي له الرمز الكيميائي TiO2 وفجوة الطاقة في TiO2 هي Eg=3.2eV وهذه الطاقة تعادل طاقة فوتون له طول موجي يساوي 388nm وهذا الفوتون يقع في مدى الاشعة فوق البنفسجية. ويعتبر ثاني اكسيد التيتانيوم الانسب للاستخدام كمحفز ضوئيلعدة مزايا منها على سبيل المثال ان ثاني اكسيد التيتانيوم خامل، مقاوم للتأكل ويحتاج الى معالجة وتحضير اقل من غيره من اشباه الموصلات، وهذا يجعله متوفرا بسعر منخفض التكلفة. كما يمكنه التفاعل في ظروف عادية....
عندما يمتص ثاني اكسيد التيتانيوم الاشعة فوق البنفسجية من اشعة الشمس او من أي مصدر ضوئي يعمل في مدى الاشعة فوق البنفسجية فان طاقة الاشعة فوق البنفسجية كافية لتحرير الكترون وفجوة موجبة.
يصبح الكترون حزمة التكافؤ في ثاني اكسيد التيتانيوم مثارا عند امتصاصه للأشعة فوق البنفسجية وينتقل الالكترون e- إلى حزمة التوصيل تاركا خلفه فجوة موجبة في حزمة التكافؤ h+ . ويصبح ثاني اكسيد التيتانيوم في هذه الحالة مثارة. فرق الطاقة بين حزمة التكافؤ وحزمة التوصيل.
ألية عمل التحفيز الضوئي في ثاني اكسيد التيتانيوم
الفجوة الموجبة h+ في ثاني اكسيد التيتانيوم تعمل على تحويل جزيء الماء إلى هيدروجين وهيدروكسيل. ويتفاعل الالكترونe- مع جزيء الاكسجين ويعطي انيون مؤكسد قوي جدا. تستمر هذه العملية طالما هناك ضوء متوفر.
ملاحظة :-
اكتشف تأثير ثاني اكسيد التيتانيوم في العام 1967 بواسطة البروفيسور Fujishima بطريقة غير متوقعة عندما عرض الكترود من ثاني اكسيد التيتانيوم في محلول مائي لضوء قوي، لاحظ Fujishima خروج فقاعات من سطح الالكترود، وهذه الفقاعات لا تخرج عندما لا يكون هناك ضوء. وجد فيما بعد ان هذه الفقاعات تتكون من غاز الاكسجين. كذلك اكد ايضا على تولد غاز الهيدروجين على الالكترود المقابل والذي كان من البلاتين. وبهذا استنتج ان الماء تحلل إلى اكسجين وهيدروجين. ما حدث على سطح ثاني اكسيد التيتانيوم هو تحفيز ضوئي وعرفت هذه الظاهر فيما بعد باسم تأثير هوندا فوجيشيماHonda-Fujishima. وقد تم نشر تلك النتائج في بحث علمي في عام 1972 وقد جذبت نتائج هذا البحث انتباه الكثير من العلماء حول العالم. وقد استخدم العلماء اليابانيون هذه الطريقة في استخلاص الهيدروجين من الماء باستخدام ضوء الشمس للحصول على مصدر نظيف للطاقة. وقد اثبت فوجيشيما بتجربة قام بها إمكانية استخلاص الهيدروجين حيث قام بطلاء سطح منزله بطبقة رقيقة من ثاني اكسيد التيتانيوم وفي يوم مشمس وصافي استطاع ان يستخلص حوالي7 لتر من الهيدروجين لكل متر مربع. ولكن نظرا لانخفاض كفاءة تحويل الطاقة اعتبرت عملية التحفيز الضوئي غير مناسبة لتحويل الطاقة. ولكن هذا لم يثني البروفيسور فوجيشيما الذي اتجه الى الاستفادة من خاصية الاكسدة القوية لثاني اكسيد التيتانيوم في الضوء كمادة محللة ففي العام 1989 قام بتجربة طلى فيها سقف وجدران غرفة عمليات في مستشفى بثاني اكسيد التيتانيوم وكانت النتيجة هي انخفاض مقدار التلوث البكتيري في تلك الغرفة واصبحت تلك المادة منذ ذلك الوقت تستخدم كمادة مضادة للبكتيريا وفي انظمة تنقية الهواء.
في العام 1995 اكتشفت ظاهرة جديدة ادت الى اتساع تطبيقات التحفيز الضوئي باستخدام ثاني اكسيد التيتانيوم. حيث لوحظ عند طلاء زجاج بمادة ثاني اكسيد التيتانيوم وتعرضه لأشعة الشمس فان قطرات الماء تصبح مسطحة على سطحه. وهذه خاصية تعرف باسم superhydrophilicity أي محبة للماء وبمزيد من الدارسات التي قام بها فوجيشيما وزملائه باستخدام ميكروسكوب القوة الذرية atomic force microscope (AFM) لاحظ ان الاشعة فوق البنفسجية قد انتزعت بشكل جزئي ذرات الاكسجين من سطح ثاني أكسيد التيتانيوم. وكانت هذه المناطق التي انتزع منها الاكسجين تعرف باسم محبة للماءتعرف بالمصطلح hydrophilicأي مناطق لها زاوية اتصال كبيرة بين السطح والماء،في حين ان المناطق التي لم تنتزع منها ذرات الاكسجين هي مناطق كاره للماء وتعرف بالمصطلح hydrophobic وتكون فيه زاوية اتصال الماء مع السطح صغيرة. وقدرت مساحة المناطق المحبة للماء بـ 30nm×50nm ومناطق اخرى كاره للماء Hydrophilic بنفس المساحة تقريبا. وهذا جعل قطرات الماء على السطح مسطحة بدلا من ان تكون كروية، وهذا شكل طبقة رقيقة منتظمة من الماء على السطح لان الماء انتشر علي المساحات المحبة للماء hydrophilic من السطح. فاذا كان هناك اثار زيت على السطح فان قطرات الماء عند هطول المطر مثلا سوف تنساب تحت طبقة الزيت وتزيله بسهولة. وهذه تقنية اصبحت تستخدم الان وتعرف باسم التنظيف الذاتي والان يتم استخدام طلاء من ثاني اكسيد التيتانيوم على الجهة الخارجية لنوافذ المباني الكبيرة ومرايا السيارات.
