يواجه التحليل الكهربائي لإنتاج الهيدروجين عدة عقبات تعرقل نشر التقنية الحديثة على نطاق واسع؛ في ظل الاهتمام المتزايد بهذا الوقود بوصفه مصدر طاقة نظيفًا لا ينبعث منه أي كربون.
ويُعد التحليل الكهربائي للماء بغشاء تبادل البروتون (PEMWE) تقنية حديثة لإنتاج هيدروجين عالي النقاء باستعمال الماء والكهرباء فقط.
ومع ذلك، يواجه التحليل الكهربائي للماء بغشاء تبادل البروتون قيودًا في التسويق التجاري، بسبب اعتماده على محفزات المعادن النادرة ومواد الطلاء الباهظة الثمن مثل البلاتين والإيريديوم.
ووفق دراسة اطّلعت عليها منصة الطاقة المتخصصة (مقرّها واشنطن)، اقترح باحثون كوريون حلًا جديدًا لمعالجة هذه العوائق التقنية والاقتصادية؛ ما من شأنه أن يُخفّض تكاليف الإنتاج بشكل كبير، ويُسرّع من اعتماد الهيدروجين عالميًا.
التحليل الكهربائي لإنتاج الهيدروجين
طوّر الفريق البحثي الكوري طريقة جديدة تُقدّم أداءً عاليًا للتحليل الكهربائي للماء بغشاء تبادل البروتون دون استعمال طلاء البلاتين الباهظ الثمن.
ووفق التفاصيل التي اطّلعت عليها منصة الطاقة المتخصصة، تستعمل خلايا التحليل الكهربائي للماء بغشاء تبادل البروتون أكسيد الإيريديوم (IrOx) محفزًا، لتحفيز تفاعل إطلاق الأكسجين.
وفي الدراسة الحديثة، كشف العلماء الكوريون عن أن سبب عدم تحقيق محفزات أكسيد الإيريديوم أداءً ممتازًا دون طلاء البلاتين يعود إلى "مقاومة نقل الإلكترونات" التي تحدث عند السطح البيني بين المحفز، وموصل الأيونات (الأيونومر)، وركيزة التيتانيوم (Ti)، وهي مكونات أساسية تُستخدم معًا في أقطاب التحليل الكهربائي للماء.
وحدّد العلماء أن ظاهرة "الانقطاع"، حيث يُحجب مسار الإلكترونات بين المحفز، والأيونومر، وركيزة التيتانيوم، هي السبب الرئيس لانخفاض الموصلية.
ويتمتع الأيونومر بخصائص قريبة من عازل الإلكترونات، ما يعوق تدفق الإلكترونات عندما يحيط بجسيمات المحفز.
علاوةً على ذلك، عند ملامسة الأيونومر لركيزة التيتانيوم، يتشكل حاجز إلكتروني على طبقة أكسيد سطح ركيزة التيتانيوم، ما يزيد المقاومة بصورة كبيرة، بحسب البيان الذي أصدره المعهد الكوري المتقدم للعلوم والتكنولوجيا.
حل مبتكر للتحليل الكهربائي
للتغلّب على هذه المشكلة، غيّر الباحثون متغيرًا واحدًا: حجم الجسيمات؛ إذ صنعوا محفزات أكسيد الإيريديوم بأقطار مختلفة، وأجروا تقييمًا لها باستعمال خلايا أحادية حقيقية ومحاكاة حاسوبية للتحليل الكهربائي للماء بغشاء تبادل البروتون.
وكانت النتائج مبهرة؛ فقد أدت الجسيمات التي يزيد حجمها على 20 نانومترًا إلى تقليل مناطق الانقطاع، ما سمح للإلكترونات بالتنقل بحرية أكبر بين المحفز والركيزة، واستعادة الأداء دون الحاجة إلى البلاتين.
ولأول مرة عالميًا، أثبت الفريق أن حجم الجسيمات وحده يمكن أن يُحسّن التوصيل بصورة كبيرة في أنظمة التحليل الكهربائي للماء بغشاء تبادل البروتون.
ولم يتوقف الفريق عند هذا الحد، بل حسّنوا أيضًا بنية طبقة المحفز؛ إذ قلل تصميمهم من تداخل الأيونومر مع الحفاظ على نشاط تحفيزي قوي.
وقد أدى هذا إلى كسر التوازن القائم منذ فترة طويلة بين النشاط والتوصيل، وهما عاملان كان يُعتقد سابقًا أنهما متعارضان.
وحسب الفريق: "يقدّم هذا البحث إستراتيجية جديدة لتصميم واجهة يمكنها حل مشكلة التوصيل البينية، التي كانت تُمثل عائقًا أمام تقنية التحليل الكهربائي عالي الأداء للماء".
ومن خلال ضمان أداء عالٍ حتى دون مواد باهظة الثمن مثل البلاتين، سيكون ذلك بمثابة خطوة نحو تحقيق اقتصاد الهيدروجين.
موضوعات متعلقة..
اقرأ أيضًا..
المصدر:
0 تعليق