سولارابيك –كوريا–24 أكتوبر 2024: حقق باحثون في معهد كوريا المتقدم للعلوم والتكنولوجيا “KAIST” إنجازًا علميًا بارزًا بابتكار نظام جديد يستخدم بطارية زنك وهواء عالية الأداء لإنتاج الهيدروجين الأنظف والأكثر كفاءة.
حلول لمشاكل إنتاج الهيدروجين الأخضر التقليدية
يعتبر الهيدروجين وقوداً نظيفاً بسبب كثافة طاقته العالية والتي تبلغ 142 ميجا جول/كغ- أي ثلاثة أضعاف كثافة الوقود الأحفوري مثل البنزين والديزل. ومع ذلك، فإن طرق إنتاج الهيدروجين التقليدية تؤدي إلى انبعاثات كبيرة من ثاني أكسيد الكربون.
ومن الأفضل للبيئة إنتاج الهيدروجين الأخضر من خلال تحليل الماء باستخدام مصادر الطاقة المتجددة مثل الطاقة الشمسية وطاقة الرياح إلا أن هذه المصادر غالبًا ما تعاني من مشاكل الكفاءة بسبب درجات الحرارة والتغيرات الجوية.
يتم البحث حالياً عن خلايا هوائية كمصدر طاقة يمكنها توفير جهد 1.23 فولط أو أكثر لتحليل الماء للتغلب على هذه الصعوبة. وللحصول على السعة اللازمة، يجب أن تستخدم هذه الخلايا الهوائية محفزات معدنية ثمينة، فضلاً عن أن الشحن والتفريغ المطول يؤدي بسرعة إلى تدهور فعالية مواد المحفز.
ومن الجدير بالذكر أن بطارية الزنك الهوائية تعتبر طريقة لتوليد الهيدروجين صديقة للبيئة لأنها تستخدم كهرليت قابل للذوبان في الماء ومقاوم للحريق. ووفقًا للباحثين، يمكن استخدامها كجهاز تخزين طاقة من الجيل التالي بالتزامن مع نظام التحليل الكهربائي الماء.
يزعم الفريق أن هذا القيد يؤكد على الحاجة إلى بدائل أكثر موثوقية وبأسعار معقولة في السعي إلى إنتاج الهيدروجين الأخضر المستدام والفعال. لذلك صرح الباحثون في بيان لهم أن من الضروري تطوير محفز فعال لتفاعلات تقسيم الماء (توليد الأكسجين وتوليد الهيدروجين) ومادة مستقرة لتفاعلات الشحن والتفريغ المتكررة (اختزال الأكسجين وتوليد الأكسجين) لقطب بطارية الزنك والهواء.
محفز فائق الكفاءة
يتميز نظام إنتاج الهيدروجين بالاعتماد على بطارية الزنك والهواء باستخدام محفزاً عالي النشاط وطويل الأمد لثلاثة تفاعلات رئيسية في درجات حرارة منخفضة وبتنفيذ بسيط. ووفقاً للباحثين فإن المحفز الجديد سيشكل طفرة جديدة إذ أنه سيمكن من التغلب على قيود إنتاج الهيدروجين الأخضر الحالية.
طور الباحثون مادة محفز معدنية غير ثمينة جديدة (G-SHELL) باستخدام هيكل متعدد الطبقات مغطى بالغرافين.
تعتمد ” G-SHELL” على إطار إيميدازول زيوليتي (ZIF) فوق سطح أكسيد الجرافين (GO) . تتميز بقشرة مجوفة مع طبقات محفزة مميزة: نواة من كبريتيد الكوبالت (II، III) ، (Co₃S₄) يعزز تطور الأكسجين (OER) وطبقات قشرة من ثاني كبريتيد الموليبدينوم (MoS₂) التي تعزز تطور الهيدروجين (HER) وعمليات اختزال الأكسجين (ORR).
يسرع الشكل المجوف ثلاثي الأبعاد نقل الأيونات، بينما تعمل طبقات الجرافين الموصلة بين النواة والقشرة كقنوات للإلكترونات.
بالإضافة إلى ذلك تستخدم ” G-SHELL” بطارية زنك وهواء قابلة لإعادة الشحن (ZAB) لتشغيل نظام تحليل الماء. والتي تُظهر كفاءة كبيرة في التفاعلات المتعددة، وتحويل الهواء إلى هيدروكسيدات أثناء التفريغ وإنتاج الأكسجين أثناء الشحن.
تحقق فريق الباحثين من أن المحفز المصمم لبطارية الهواء لديه كثافة طاقة تبلغ 797 واط ساعة / كغ، وهو ما يزيد خمس مرات عن البطاريات الحالية. وعند الشحن المتكرر، يحافظ على تشغيل ثابت طويل الأمد مع خرج عالي يبلغ 275.8 ميلي واط / سم².
تابعونا على لينكيد إن Linked-in لمعرفة كل جديد في مجال الطاقة المتجددة والسيارات الكهربائية…
نتمنى لكم يوماً مشمساً!
المصدر: interesting engineering
