تحليل الماء

تحليل الماء هو التفاعل الكيميائي الماص للطاقة الذي ^يتم فيه تكسير الماء إلى أكسجين وهيدروجين : ^{[ 1} ]

يُعدّ تحليل الماء بكفاءة واقتصادية إنجازًا تقنيًا هامًا يُمكن أن يُرسي دعائم اقتصاد الهيدروجين . يحدث نوع من تحليل الماء في عملية التمثيل الضوئي ، ولكن لا يُطلق الهيدروجين، بل يُستخدم أيونيًا لتشغيل دورة كالفن . ويُشكّل عكس تحليل الماء أساس خلية وقود الهيدروجين . لم يتم تسويق تحليل الماء باستخدام الإشعاع الشمسي تجاريًا حتى الآن.

التحليل الكهربائي للماء هو تفكك الماء (H2O ₎ إلى أكسجين (O2 ₎ وهيدروجين ( H2 ₎ : ^{[ 2 ]}

إنتاج الهيدروجين من الماء عملية كثيفة الاستهلاك للطاقة. عادةً ما تكون قيمة الكهرباء المستهلكة أعلى من قيمة الهيدروجين المُنتَج، لذا لم يُستخدم هذا الأسلوب على نطاق واسع. على النقيض من التحليل الكهربائي منخفض الحرارة، يُحوّل التحليل الكهربائي عالي الحرارة للماء (HTE) نسبةً أكبر من الطاقة الحرارية الأولية إلى طاقة كيميائية (هيدروجين)، مما قد يُضاعف الكفاءة إلى حوالي 50%. ولأن جزءًا من الطاقة في التحليل الكهربائي عالي الحرارة يُزوَّد على شكل حرارة، تقلّ الحاجة إلى تحويل الطاقة مرتين (من حرارة إلى كهرباء، ثم إلى شكل كيميائي)، وبالتالي تكون العملية أكثر كفاءة.

التحليل الكهربائي عالي الحرارة (يُعرف أيضًا باسم HTE أو التحليل الكهربائي بالبخار ) هو طريقة لإنتاج الهيدروجين من الماء مع الأكسجين كمنتج ثانوي.

يحدث نوع من انشطار الماء في عملية التمثيل الضوئي، ولكن يتم تحويل الإلكترونات، ليس إلى البروتونات، بل إلى سلسلة نقل الإلكترون في النظام الضوئي الثاني . تُستخدم الإلكترونات لاختزال ثاني أكسيد الكربون، الذي يُدمج في النهاية في السكريات.

يُحفز التنشيط الضوئي للنظام الضوئي الأول انتقال الإلكترونات إلى سلسلة من مستقبلات الإلكترونات، مما يؤدي في النهاية إلى اختزال NADP + ^إلى NADPH. يقوم النظام الضوئي الأول المؤكسد بالتقاط الإلكترونات من النظام الضوئي الثاني عبر سلسلة من الخطوات التي تشمل البلاستوكينون والسيتوكرومات والبلاستوسيانين . يقوم النظام الضوئي الثاني المؤكسد بأكسدة مُركب توليد الأكسجين (OEC)، الذي يحول الماء إلى O2 _{وبروتونات} . ^{[ 3 ] [ 4 ]} نظرًا لاحتواء الموقع النشط لمركب توليد الأكسجين على المنغنيز ، فقد ركزت العديد من الأبحاث على مركبات المنغنيز الاصطناعية كمحفزات لأكسدة الماء. ^{[ 5 ]}

في إنتاج الهيدروجين الحيوي ، لا يتم توجيه الإلكترونات التي ينتجها النظام الضوئي إلى جهاز التخليق الكيميائي، بل إلى إنزيمات الهيدروجيناز ، مما يؤدي إلى تكوين H2 _. ويتم إنتاج هذا الهيدروجين الحيوي في مفاعل حيوي . ^{[ 6 ]}

يُعدّ استخدام الكهرباء المُنتجة بواسطة الأنظمة الكهروضوئية من أنظف الطرق المُحتملة لإنتاج الهيدروجين، باستثناء الطاقة النووية، وطاقة الرياح، والطاقة الحرارية الأرضية، والطاقة الكهرومائية. وكما هو الحال في الطاقة الكهروضوئية، يتم تحليل الماء إلى هيدروجين وأكسجين عن طريق التحليل الكهربائي، بينما تُستخلص الطاقة الكهربائية من خلال عملية الخلية الكهروضوئية (PEC). ويُطلق على هذا النظام أيضًا اسم التمثيل الضوئي الاصطناعي . ^{[ 7 ] [ 8 ] [ 9 ]}

غالباً ما يكون التركيز في التطوير على التحفيز وأغشية نقل البروتونات. ^{[ 10 ]}

قد يكون تحويل الطاقة الشمسية إلى هيدروجين عن طريق عملية تحليل الماء أكثر كفاءة إذا تم استخدام محفزات ضوئية معلقة في الماء بدلاً من نظام كهروضوئي أو نظام تحليل كهربائي، بحيث يتم التفاعل في خطوة واحدة. ^{[ 11 ] [ 12 ]}

يمكن للإشعاع النووي عالي الطاقة أن يكسر الروابط الكيميائية لجزيء الماء. في منجم مبونينغ للذهب بجنوب إفريقيا ، وجد الباحثون في منطقة ذات إشعاع عالٍ طبيعيًا _{مجتمعًا} يهيمن عليه نوع Desulforudis audaxviator ، وهو نمط وراثي جديد من Desulfotomaculum ، يتغذى بشكل أساسي على الهيدروجين الناتج عن التحلل الإشعاعي . ^{[ 13 ]}

في عملية التحلل الحراري ، تنقسم جزيئات الماء إلى هيدروجين وأكسجين . فعلى سبيل المثال، عند درجة حرارة 2200 درجة مئوية (2470 كلفن؛ 3990 درجة فهرنهايت)، يتفكك حوالي 3% من جزيئات الماء (H₂O _{) إلى تركيبات مختلفة من ذرات الهيدروجين والأكسجين، وأهمها H و H₂} وO وO₂ _و OH. أما نواتج التفاعل الأخرى، مثل H₂O₂ _و HO₂ _{، فتبقى} بكميات ضئيلة. عند درجة حرارة عالية جدًا تبلغ 3000 درجة مئوية (3270 كلفن؛ 5430 درجة فهرنهايت)، يتحلل أكثر من نصف جزيئات الماء. أما عند درجات الحرارة المحيطة، فلا يتفكك سوى جزيء واحد من بين كل 100 تريليون جزيء بفعل الحرارة. ^{[ 14 ]} وقد حدّت متطلبات درجات الحرارة العالية والقيود المفروضة على المواد من تطبيقات طريقة التحلل الحراري.      

وتشمل الأبحاث الأخرى التحلل الحراري على ركائز الكربون المعيبة ، مما يجعل إنتاج الهيدروجين ممكناً عند درجات حرارة أقل بقليل من 1000 درجة مئوية (1270 كلفن؛ 1830 درجة فهرنهايت) . ^{[ 15 ]}   

من الفوائد الجانبية للمفاعل النووي الذي ينتج الكهرباء والهيدروجين معًا، إمكانية تحويل الإنتاج بينهما. فعلى سبيل المثال، قد تنتج محطة نووية الكهرباء نهارًا والهيدروجين ليلًا، بما يتناسب مع التغيرات اليومية في الطلب على الكهرباء. وإذا أمكن إنتاج الهيدروجين بتكلفة اقتصادية، فإن هذا النظام سينافس بقوة أنظمة تخزين الطاقة الحالية في الشبكة . وبحلول عام ٢٠٠٥، كان الطلب على الهيدروجين في الولايات المتحدة كافيًا لتلبية ذروة الإنتاج اليومية بالكامل بواسطة هذه المحطات. ^{[ ١٦ ]}

تُعد دورة النحاس والكلور الكهروحرارية الهجينة نظامًا لتوليد الطاقة المشتركة باستخدام الحرارة المهدرة من المفاعلات النووية، وتحديدًا مفاعل الماء فوق الحرج CANDU . ^{[ 17 ]}

• تفكيك الهيدروجين أثناء التحليل الكهربائي إلى كاثود أكسيد النيكل , JEAC