يُعدّ إنتاج الهيدروجين النظيف عبر عملية تفاعل تطور الهيدروجين (HER) أحد الحلول المطروحة لمواجهة أزمة تغير المناخ، التي تستلزم خفض الانبعاثات مع الاعتماد على مصادر مختلفة من الطاقة المتجددة.
ولكن هناك مشكلة رئيسة تكمن في توسيع نطاق هذا التفاعل من تجربة معملية إلى إنتاج تجاري واسع النطاق، مع الحفاظ على انخفاض التكاليف.
ووفق دراسة حديثة اطّلعت عليها منصة الطاقة المتخصصة (مقرّها واشنطن)، أثبت علماء يابانيون أن إستراتيجية إعادة بناء السطح تُمكِّن من إنتاج وقود هيدروجين بأسعار معقولة.
وأظهر العلماء مؤخرًا أن مسار إعادة بناء السطح يُمكن أن يُنتج كاثودات متينة قائمة على معادن غير نبيلة، تُسرّع تفاعل تطور الهيدروجين.
إنتاج الهيدروجين بتكلفة أقل
أكد الباحثون أن هذه الكاثودات قادرة على الحفاظ على أدائها لأكثر من 300 ساعة، وأن تكلفتها تُقارب هدف وزارة الطاقة الأميركية لإنتاج الهيدروجين لعام 2026 (دولاران لكل كيلوغرام من الهيدروجين).
ويزعم الباحثون من جامعة توهوكو أن هذا قد يُمهّد الطريق لتصميم منطقي لكاثودات جديدة كليًا عالية الكفاءة قائمة على معادن غير نبيلة لتطبيقات غشاء تبادل البروتون (PEM) التجارية، ما يُسهم أخيرًا في سدّ الفجوة بين المختبر والمصنع.
وكشفت الدراسة -التي نُشرت في مجلة أدفانسد إنرجي ماتريالز (Advanced Energy Materials)- أن إنتاج الهيدروجين عبر جهاز تحليل كهربائي بغشاء تبادل البروتون يُجسّد ذروة الدراسات الأساسية والعملية حول تقنية تحويل الكهرباء إلى وقود الهيدروجين.
ومع ذلك، فإن ظروف العمل القاسية تجعل الكاثودات القائمة على المعادن غير النبيلة لا تناسب جهاز التحليل الكهربائي بغشاء تبادل البروتون.
واعتمدت هذه الدراسة في تحسين تفاعل تطور الهيدروجين -الذي يميل إلى أن يكون بطيئًا وغير فعّال بطبيعته- على فوسفيدات المعادن الانتقالية (TMPs).
هذا المُحفِّز الواعد (الذي يُحسّن كفاءة تفاعل تطور الهيدروجين) هو معدن غير نبيل ومتين وفعّال من حيث التكلفة.
ومع ذلك، تُستعمل المعادن النبيلة عادةً، لذلك أدرك الباحثون وجود فجوة معرفية حول المعادن غير النبيلة التي يجب سدّها، وفقًا لبيان صحفي اطّلعت عليه منصة الطاقة المتخصصة.
تسريع تفاعل تطور الهيدروجين
أكَّد العلماء أنهم حضّروا الكوبالت المُعَدَّل بالفلور، وفحصوا جوانب مثل إعادة بناء سطحه والمواقع النشطة الحقيقية؛ إذ اتضح أن إضافة الفلور تسمح بتكوين مواقع شاغرة على السطح، ما يؤدي إلى مواقع أكثر نشاطًا قادرة على تسريع تفاعل تطور الهيدروجين.
وقال هينغ ليو من المعهد المتقدم لأبحاث المواد: "هذا الكوبالت المُعاد بناؤه نشط للغاية، ويعمل في ظروف حمضية، ويمكنه الحفاظ على ما يقرب من 76 واط لأكثر من 300 ساعة".
وأضاف: "نقترب من طريقة ميسورة التكلفة لإنتاج الوقود. تبلغ التكلفة المحسوبة لاستعمال هذه الطريقة 2.17 دولارًا للكيلوغرام من الهيدروجين، أيّ ما يزيد بمقدار 17 سنتًا فقط عن هدف الإنتاج الحالي المحدد لعام 2026".
ووجد الباحثون أنه عند إعادة بناء سطح كاثود الكوبالت المُعدّل بالفلور، تحسّن نشاطه.
لا تقتصر التجربة على اختبار الإعداد في بيئة تجريبية على نطاق المختبر بـ3 أقطاب كهربائية، بل تمتد أيضًا إلى محاليل كهربائية بتقنية غشاء تبادل البروتون على نطاق تجاري.
وتُمثّل هذه النتائج تقدمًا مهمًا في أبحاث محفزات تفاعل تطور الهيدروجين، وقد تُشكّل أساسًا لتصميم عقلاني لكاثودات أخرى قائمة على معادن غير نبيلة، وفق ما نقلته منصة "إنترستينغ إنجينيرينغ" (Interesting Engineering).
وأضاف ليو: "نفكر دائمًا في الهدف النهائي، وهو أن يشقّ البحث طريقه إلى الحياة اليومية.. يُقرّبنا هذا التقدم خطوةً أخرى من تصميم خيارات أكثر واقعية لتطبيقات غشاء تبادل البروتون التجارية".
موضوعات متعلقة..
اقرأ أيضًا..
المصادر:
- دراسة حديثة لإنتاج الهيدروجين عبر إستراتيجية إعادة بناء السطح من جامعة توهوكو
- معلومات إضافية عن الطريقة المبتكرة لإنتاج الهيدروجين من منصة "إنترستينغ إنجينيرينغ"
