تقنيات جديدة لتقليل تكلفة إنتاج الهيدروجين الأخضر.. استبدال المعادن النادرة بالبوليمر ونيتريد الحديد غير المكلف

أصبح الهيدروجين الأخضر ، الذي ينتج الهيدروجين دون استخدام الوقود الأحفوري أو انبعاث ثاني أكسيد الكربون ، ذا أهمية متزايدة في السنوات الأخيرة كجزء من الجهود المبذولة لتحقيق اقتصاد خال من الكربون.

نظرًا لارتفاع تكلفة إنتاج أجهزة التحليل الكهربائي للمياه التي تنتج الهيدروجين الأخضر، فإن الجدوى الاقتصادية للهيدروجين الأخضر لم تكن عالية جدًا، فإن تطوير تقنية تقلل بشكل كبير من كمية المعادن النادرة مثل الإيريديوم والبلاتين المستخدم في أجهزة التحليل الكهربائي للماء بغشاء البوليمر يفتح الطريق لخفض تكاليف الإنتاج.

أعلن فريق بحثي بقيادة دكتور هيون س. الإيريديوم، المعادن الثمينة المستخدمة في طبقة حماية القطب الكهربائي لأجهزة التحليل الكهربائي للماء بغشاء البوليمر، وتأمين الأداء والمتانة على قدم المساواة مع الأجهزة الموجودة.

نيتريد الحديد غير المكلف

على وجه الخصوص، على عكس الدراسات السابقة التي ركزت على تقليل كمية محفز الإيريديوم مع الحفاظ على الهيكل الذي يستخدم كمية كبيرة من البلاتين والذهب كطبقة حماية للقطب الكهربائي، استبدل الباحثون المعدن الثمين في طبقة حماية القطب مع نيتريد الحديد غير المكلف الذي يحتوي على مساحة سطح كبيرة ومغلفة بشكل موحد بكمية صغيرة من محفز الإيريديوم فوقها ، مما يزيد بشكل كبير من الكفاءة الاقتصادية لجهاز التحليل الكهربائي.

جهاز التحليل الكهربائي لغشاء البوليمر المنحل بالكهرباء هو جهاز ينتج الهيدروجين والأكسجين عالي النقاء عن طريق تحلل المياه باستخدام الكهرباء التي توفرها الطاقة المتجددة مثل الطاقة الشمسية، ويلعب دورًا في توفير الهيدروجين لمختلف الصناعات مثل صناعة الصلب والمواد الكيميائية.

بالإضافة إلى ذلك، من المفيد في تحويل الطاقة، تخزين الطاقة المتجددة، كطاقة هيدروجين، لذا فإن زيادة الكفاءة الاقتصادية لهذا الجهاز مهم جدًا لتحقيق اقتصاد الهيدروجين الأخضر.

في جهاز التحليل الكهربائي النموذجي ، يوجد قطبين كهربائيين ينتجان الهيدروجين والأكسجين ، وللقطب الكهربي المولّد للأكسجين ، الذي يعمل في بيئة شديدة التآكل، يتم طلاء الذهب أو البلاتين على سطح القطب عند 1 مجم / سم 2 على شكل طبقة واقية لضمان المتانة وكفاءة الإنتاج ، ويتم طلاء 1-2 مجم / سم 2 من محفز الإيريديوم في الأعلى.

المعادن الثمينة المستخدمة في أجهزة التحليل الكهربائي هذه لديها احتياطيات وإنتاج منخفضة للغاية، وهو عامل رئيسي يعيق التبني الواسع لأجهزة إنتاج الهيدروجين الخضراء.

لتحسين اقتصاديات التحليل الكهربائي للماء، استبدل الفريق المعادن النادرة مثل الذهب والبلاتين المستخدمة كطبقة واقية لقطب الأكسجين في أجهزة إنتاج الهيدروجين بغشاء البوليمر بالكهرباء مع نيتريد الحديد غير المكلف (Fe 2 N ) .

للقيام بذلك ، طور الفريق عملية مركبة تقوم أولاً بتغطية القطب بشكل موحد بأكسيد الحديد ، والذي يتميز بموصلية كهربائية منخفضة ، ثم يحول أكسيد الحديد إلى نيتريد الحديد لزيادة التوصيل. طور الفريق أيضًا عملية تقوم بتغطية محفز إيريديوم بشكل موحد بسماكة 25 نانومتر (نانومتر) أعلى الطبقة الواقية من نيتريد الحديد ، مما يقلل من كمية محفز الإيريديوم إلى أقل من 0.1 مجم / سم 2 ، مما ينتج عنه قطب كهربائي به نسبة عالية من الهيدروجين . كفاءة الإنتاج والمتانة.

يستبدل القطب المطوَّر الذهب أو البلاتين المستخدم كطبقة واقية للقطب الكهربائي لتوليد الأكسجين مع نيتريدات المعادن غير الثمينة مع الحفاظ على أداء مشابه لوحدات التحليل الكهربائي التجارية الحالية، ويقلل من كمية محفز الإيريديوم إلى 10٪ من المستوى الحالي، بالإضافة إلى ذلك، تم تشغيل وحدة التحليل الكهربائي بالمكونات الجديدة لأكثر من 100 ساعة للتحقق من ثباتها الأولي.

قال، الدكتور هيون س.بارك أوف كيست،”إن تقليل كمية محفز الإيريديوم، وتطوير مواد بديلة للطبقة الواقية من البلاتين ضروريان للاستخدام الاقتصادي والواسع النطاق لأجهزة إنتاج الهيدروجين الأخضر لغشاء البوليمر المنحل بالكهرباء، واستخدام نيتريد الحديد غير المكلف بدلاً من البلاتين له أهمية كبيرة”، “بعد مراقبة أداء ومتانة القطب الكهربائي، سنطبقه على الأجهزة التجارية في المستقبل القريب.”

تم نشر نتائج البحث على الإنترنت في مجلة Applied Catalysis B: Environmental .

تابعنا على تطبيق نبض