سولارابيك – اليابان – مارس 2022: اكتشف فريق من الباحثين من مركز علوم الموارد المستدامة «CSRS»، في معهد الأبحاث الياباني «رايكِن – RIKEN»، طريقة مستدامة وعملية جديدة لإنتاج الهيدروجين من الماء، لا تتطلب الطريقة الجديدة معادن نادرة باهظة الثمن أو غير متوفرة، على عكس الأساليب الحالية.
طريقة مستدامة لإنتاج الهيدروجين
اكتشف الباحثون في مركز «RIKEN» أثناء بحثهم عن محفز أفضل، إمكانية إنتاج الهيدروجين لخلايا الوقود والأسمدة الزراعية باستخدام الكوبالت والمنغنيز، وهما معدنان شائعان إلى حد ما.
نظر الباحثون في مزيج من أكاسيد الكوبالت والمنغنيز، حيث يمكن أن تكون أكاسيد الكوبالت نشطة للتفاعل المطلوب، ولكنها تتآكل بسرعة كبيرة في البيئة الحمضية. في حين تعتبر أكاسيد المنغنيز أكثر استقراراً، لكنها ليست نشطة بدرجة كافية.
يأمل الباحثون من خلال الجمع بينهما، في الاستفادة من خصائصهم التكميلية، ولكن كان عليهم أيضاً مراعاة كثافة التيار العالية اللازمة للتطبيق العملي خارج المختبر. في النهاية، تغلب الفريق على هذه المشكلات عن طريق التجربة والخطأ، واكتشف محفزاً نشطاً ومستقراً عن طريق إدخال المنغنيز في شبكة الإسبينيل من Co3O4، مما ينتج عنه خليط كوبالت أكسيد المنغنيز Co2MnO4.
أظهر الاختبار أن أداء Co2MnO4 جيد جداً، حيث كانت مستويات التنشيط قريبة من تلك الخاصة بأحدث أكاسيد الإيريديوم. بالإضافة إلى ذلك، استمر المحفز الجديد لأكثر من شهرين بكثافة حالية تبلغ 200 ميللي أمبير لكل سنتيمتر مربع، مما يجعله فعالاً للاستخدام العملي بالمقارنة مع المحفزات المعدنية غير النادرة الأخرى، والتي عادةً ما تستمر لأيام أو أسابيع فقط بكثافة تيار أقل بكثير، وبذلك يعتبر المحفز الكهربائي الجديد ورقتنا الرابحة.
أهمية إنتاج الهيدروجين
يعد الهيدروجين وقوداً نظيفاً ينتج الماء فقط كمنتج ثانوي على عكس الوقود الأحفوري التقليدي الذي يولد ثاني أكسيد الكربون عند الاحتراق، لذلك فإن عملية استخراج الهيدروجين من الماء باستخدام الكهرباء المتجددة، يمكن أن تجعل شبكة الطاقة نظيفة ومتجددة ومستدامة.
بالإضافة إلى ذلك، يعتبر الهيدروجين هو المكون الأساسي اللازم لإنتاج الأمونيا، والتي تستخدم في جميع الأسمدة الاصطناعية تقريباً.
ولكن بدلاً من استخراج الهيدروجين بشكل نظيف من الماء، تستخدم مصانع الأمونيا حالياً الوقود الأحفوري لإنتاج الهيدروجين الذي تحتاجه، وأحد أهم الأسباب لاستخدام الوقود الأحفوري هو أن عملية استخلاص الهيدروجين نفسها «التحليل الكهربائي» هي عملية مكلفة وغير مستدامة بعد.
في الوقت الحالي، تعتبر المعادن النادرة مثل البلاتين والإيريديوم أكثر المحفزات نشاطاً للتحليل الكهربائي للمياه، مما يخلق معضلة حقيقية لكونها باهظة الثمن وتعتبر من المعادن المهددة بالانقراض، حيث يتطلب تحويل الكوكب بأكمله إلى وقود الهيدروجين الآن حوالي 800 عام من إنتاج الإيريديوم، وهي كمية قد لا تكون موجودة أصلاً.
من ناحية أخرى، فإن المعادن الوفيرة مثل الحديد والنيكل ليست نشطة بدرجة كافية وتميل إلى الذوبان على الفور في بيئة التحليل الكهربائي الحمضية القاسية.
تعليقات المسؤولين
يرجع هذا في المقام الأول إلى نقص المحفزات الجيدة. يجب أن يكون المحفز نشطاً جداً، بالإضافة إلى قدرته على تحمل البيئة الحمضية القاسية، إذا لم يكن الأمر كذلك، فإن كمية الكهرباء اللازمة للتفاعل لإنتاج كمية معينة من الهيدروجين سترتفع أكثر، وسترتفع معها التكلفة أيضاً.
ريوهي ناكامورا، قائد فريق الباحثين في مركز «RIKEN»
بالنسبة لإنتاج الهيدروجين على نطاق صناعي، نحن نحتاج إلى ضبط كثافة التيار المستهدفة لدراستنا على حوالي 10 إلى 100 مرة أعلى مما تم استخدامه في التجارب السابقة. أدت التيارات العالية إلى عدد من المشاكل مثل التحلل المادي للمحفز.
شوانغ كونغ، أحد المؤلفين الأوائل في البحث
لقد حققنا ما استعصى على العلماء لعقود من الزمن، وهو إنتاج الهيدروجين باستخدام محفز نشط للغاية ومستقر مصنوع من معادن وفيرة. على المدى الطويل، نعتقد أن هذه خطوة كبيرة نحو إنشاء اقتصاد هيدروجين مستدام. مثل التقنيات المتجددة الأخرى كالخلايا الشمسية وطاقة الرياح، نتوقع أن تنخفض تكلفة تكنولوجيا الهيدروجين الأخضر في المستقبل القريب مع إحراز المزيد من التقدم.
إيلونغ لي، أحد المؤلفين الأوائل في البحث
ستكون الخطوة التالية في المختبر هي إيجاد طرق لإطالة عمر المحفز الجديد وزيادة مستويات نشاطه بشكل أكبر. هناك دائماً مجال للتحسين، ونواصل السعي للحصول على محفز معدني غير نادر يتناسب مع أداء محفزات الإيريديوم والبلاتين الحالية.
ريوهي ناكامورا، قائد فريق الباحثين في مركز «RIKEN»
تابعونا على لينكيد إن Linked-in لمعرفة كل جديد في مجال الطاقة المتجددة…
نتمنى لكم يوماً مشمساً!
المصدر: RIKEN
