رفع كفاءة امتصاص ثنائي أكسيد التيتانيوم للضوء المرئي بواسطة معدن الروديوم
في عصر تسارع فيه التحديات البيئية وتزايد الحاجة إلى مصادر طاقة مستدامة، تبرز الحاجة الملحة لابتكارات تقنية تسهم في حل هذه المشكلات. من بين التقنيات التي لفتت انتباه الباحثين، تقنية التحفيز الضوئي باستخدام ثاني أكسيد التيتانيوم (TiO2)، والتي تعد واعدة لتطبيقات مثل تحليل الماء الضوئي لإنتاج الهيدروجين الأخضر. لزيادة كفاءة هذه التقنية، تُستخدم محفزات مدعمة بذرات الروديوم (Rh5)، حيث تظهر الدراسات أن وجود عدد قليل من ذرات الروديوم على سطح المحفز يمكن أن يعزز نشاطه الضوئي بشكل ملحوظ، مما يسهم في تحسين عملية فصل جزيئات الماء وإنتاج الهيدروجين بكفاءة عالية.
تستكشف الدراسة المعنونة بـ “استقرارية الأشكال الهندسية والبنيات الإلكترونية لمجموعات الروديوم Rh5 على سطوح TiO2 لإنتاج الهيدروجين الأخضر”، كيف يمكن لمجموعات الروديوم أن تحسن من أداء ثاني أكسيد التيتانيوم في التحفيز الضوئي. تهدف الدراسة إلى فحص تأثير هذه المجموعات على الخصائص الهندسية والإلكترونية لسطوح TiO2 في سياق تعزيز عمليات تحليل الماء الضوئي.
يستخدم البحث نظرية الكثافة الوظيفية (DFT) مع الوظائف الهجينة DFT-D3 و HSE06 لتقييم استقرار وتأثيرات إلكترونية لمجموعات Rh5 عند امتصاصها على سطوح TiO2 (كما هو موضح في الشكل). تمت دراسة تكوينات مختلفة من Rh5، بما في ذلك الأشكال الهرمية ثنائية القاعدة والشبه المنحرفة، على سطوح TiO2 النقية والمعيبة.
أظهرت النتائج أن التكوينات الهرمية ثنائية القاعدة لـ Rh5 أكثر استقرارًا وفعالية في تعزيز نقل الشحنة عند امتصاصها على TiO2، مقارنة بالتكوينات الشبه المنحرفة. كما أن الامتصاصات الأكثر استقرارًا قد غيرت البنية الإلكترونية لـ TiO2، مما يظهر إمكانية لتحسين النشاط الضوئي الحفزي تحت الضوء المرئي. بالإضافة إلى ذلك، بدا أن تحميل ذرات Rh5 على سطوح TiO2 المحتوية على فجوات الأكسجين يزيد من استقرار TiO2 ويزيد من طاقة تكوين فجوات الأكسجين، مما يشير إلى تحسين النشاط الضوئي الحفزي.
في الختام، تقدم هذه الدراسة النظرية دليلاً قيماً على الدور الذي يمكن أن تلعبه ذرات الروديوم في تعزيز الخصائص الضوئية الحفزية لثاني أكسيد التيتانيوم، مما يفتح آفاقاً جديدة لتطوير محفزات فعالة لإنتاج الهيدروجين الأخضر. تؤكد هذه النتائج على الحاجة إلى مزيد من البحث والتطوير لاستغلال هذه التقنيات في التطبيقات الصناعية، مما قد يسهم في تحقيق الاستدامة البيئية والطاقة المتجددة.
