صناعة وقود صديق للبيئة باستخدام لمبات LED دون الحاجة إلى درجات حرارة عالية أو عناصر باهظة الثمن
تمهيد الطريق لهيدروجين مستدام ومنخفض التكلفة يمكن إنتاجه محليًا وليس في مصانع مركزية ضخمة
جمع الباحثون في جامعات برينستون ورايس بين الحديد والنحاس ومصباح LED بسيط لإظهار تقنية منخفضة التكلفة، يمكن أن تكون مفتاحًا لتوزيع الهيدروجين، وهو وقود يحزم كميات كبيرة من الطاقة دون تلوث كربوني.
استخدم الباحثون التجارب والحسابات المتقدمة لتطوير تقنية تستخدم تقنية النانو لفصل الهيدروجين عن الأمونيا السائلة، وهي عملية كانت حتى الآن مكلفة وتستهلك الكثير من الطاقة.
في ورقة علمية تم نشرها أمس بمجلة Science ، وصف الباحثون كيف استخدموا الضوء من LED القياسي لتكسير الأمونيا دون الحاجة إلى درجات حرارة عالية أو عناصر باهظة الثمن التي تتطلبها هذه الكيمياء، تتغلب هذه التقنية على عقبة حاسمة نحو تحقيق إمكانات الهيدروجين كوقود نظيف ومنخفض الانبعاثات، يمكن أن يساعد في تلبية متطلبات الطاقة دون تفاقم تغير المناخ.
طريقة جديدة ومبسطة
قالت نعومي هالاس، الأستاذة في جامعة رايس وأحد المؤلفين الرئيسيين للدراسة : “نسمع الكثير عن الهيدروجين باعتباره الوقود النظيف النهائي، إذا كان فقط أقل تكلفة ويسهل تخزينه واسترجاعه للاستخدام”، “توضح هذه النتيجة أننا نتحرك بسرعة نحو هذا الهدف، بطريقة جديدة ومبسطة لإطلاق الهيدروجين عند الطلب من وسيط تخزين الهيدروجين العملي باستخدام مواد وفيرة في الأرض والاختراق التكنولوجي لإضاءة الحالة الصلبة.”
ضغط الهيدروجين النقي مكلف عند النقل ويصعب تخزينه لفترات طويلة. في السنوات الأخيرة، سعى العلماء إلى استخدام مواد كيميائية وسيطة لنقل وتخزين الهيدروجين، تعتبر الأمونيا واحدة من أكثر ناقلات الهيدروجين الواعدة، وتتكون من ثلاث ذرات هيدروجين وذرة نيتروجين واحدة، على عكس غاز الهيدروجين النقي، فإن الأمونيا السائلة، على الرغم من كونها خطرة، لديها أنظمة قائمة للنقل والتخزين الآمن.
هيدروجين مستدام ومنخفض التكلفة
قال بيتر نوردلاندر، الأستاذ في رايس ومؤلف رئيسي آخر: “هذا الاكتشاف يمهد الطريق لهيدروجين مستدام ومنخفض التكلفة يمكن إنتاجه محليًا وليس في مصانع مركزية ضخمة” .
كانت إحدى المشكلات المستمرة التي يواجهها المدافعون هي أن تكسير الأمونيا إلى هيدروجين ونيتروجين غالبًا ما يتطلب درجات حرارة عالية لدفع التفاعل، يمكن أن تتطلب أنظمة التحويل درجات حرارة أعلى من 400 درجة مئوية (732 درجة فهرنهايت)، يتطلب ذلك الكثير من الطاقة لتحويل الأمونيا، بالإضافة إلى معدات خاصة للتعامل مع العملية.
أراد الباحثون بقيادة هالاس ونوردلاندر في جامعة رايس ، وإميلي كارتر ، أستاذة جيرهارد آر أندلينجر في الطاقة والبيئة وأستاذ الهندسة الميكانيكية والفضاء والرياضيات التطبيقية والحاسوبية في جامعة برينستون، تحويل عملية التقسيم لجعل الأمونيا مادة ناقل أكثر استدامة ومجدية اقتصاديًا لوقود الهيدروجين.
جذب استخدام الأمونيا كناقل للهيدروجين اهتمامًا بحثيًا كبيرًا نظرًا لقدرتها على قيادة اقتصاد الهيدروجين ، كما أظهرت مراجعة حديثة أجرتها الجمعية الكيميائية الأمريكية.
غالبًا ما تكسر العمليات الصناعية الأمونيا عند درجات حرارة عالية باستخدام مجموعة متنوعة من المواد كمحفزات، وهي مواد تسرع التفاعل الكيميائي دون أن تتغير بواسطة التفاعل.
أثبتت الأبحاث السابقة أنه من الممكن خفض درجة حرارة التفاعل باستخدام محفز الروثينيوم.
لكن الروثينيوم، وهو معدن موجود في مجموعة البلاتين ، باهظ الثمن. يعتقد الباحثون أنه يمكنهم استخدام تقنية النانو للسماح باستخدام عناصر أرخص مثل النحاس والحديد كمحفز بدلاً من ذلك.
معالجة تكلفة الطاقة لتكسير الأمونيا
أراد الباحثون أيضًا معالجة تكلفة الطاقة لتكسير الأمونيا، تستخدم الطرق الحالية الكثير من الحرارة لكسر الروابط الكيميائية التي تربط جزيئات الأمونيا معًا، اعتقد الباحثون أن بإمكانهم تسخير الضوء لقطع الروابط الكيميائية مثل المبضع بدلاً من استخدام الحرارة لتحطيمها مثل المطرقة.
للقيام بذلك، لجأوا إلى تكنولوجيا النانو، إلى جانب محفز أرخص بكثير يحتوي على الحديد والنحاس.
الجمع بين الهياكل المعدنية الدقيقة في تكنولوجيا النانو والضوء هو مجال جديد نسبيًا يسمى plasmonics من خلال تسليط الضوء على هياكل أصغر من طول موجي واحد للضوء، يمكن للمهندسين معالجة موجات الضوء بطرق غير عادية ومحددة.
في هذه الحالة، أراد فريق رايس استخدام هذا الضوء الهندسي لإثارة الإلكترونات في الجسيمات النانوية المعدنية كطريقة لتقسيم الأمونيا إلى مكوناتها الهيدروجينية والنيتروجينية دون الحاجة إلى حرارة شديدة.
نظرًا لأن Plasmonics تتطلب أنواعًا معينة من المعادن، مثل النحاس أو الفضة أو الذهب، فقد أضاف الباحثون الحديد إلى النحاس قبل إنشاء الهياكل الدقيقة.
عند الانتهاء ، تتصرف الهياكل النحاسية كهوائيات لمعالجة الضوء الصادر من LED لإثارة الإلكترونات إلى طاقات أعلى ، بينما تعمل ذرات الحديد المدمجة في النحاس كمحفزات لتسريع التفاعل الذي تقوم به الإلكترونات المثارة.
ضبط العديد من المتغيرات حول التفاعل
ابتكر الباحثون الهياكل وأجروا التجارب في المعامل في رايس، كانوا قادرين على ضبط العديد من المتغيرات حول التفاعل مثل الضغط وشدة الضوء وطول موجة الضوء، لكن معايرة المعلمات الدقيقة كانت شاقة.
لاستكشاف كيفية تأثير هذه المتغيرات على التفاعل ، عمل الباحثون مع المؤلف الرئيسي كارتر، المتخصص في التحقيقات التفصيلية للتفاعلات على المستوى الجزيئي، باستخدام نظام الحوسبة عالي الأداء من برينستون ، والبنية التحتية Terascale للبحث، فتم تشغيل التفاعلات من خلال جهاز محاكاة ميكانيكا الكم المتخصص قادر بشكل فريد على دراسة التحفيز الإلكتروني المتحمس، التفاعلات الجزيئية لهذه التفاعلات معقدة بشكل كبير.
خفض التكاليف والتلوث الكربوني
يقول الباحثون، إن العملية قابلة للتطوير في مزيد من البحث ، يخططون للتحقيق في المحفزات المحتملة الأخرى مع التركيز على زيادة كفاءة العملية وتقليل التكلفة.
قال كارتر ، الذي يرأس حاليًا أيضًا لجنة الأكاديميات الوطنية بشأن استخدام الكربون، إن الخطوة التالية الحاسمة ستكون خفض التكاليف والتلوث الكربوني الناتج عن إنتاج الأمونيا التي تبدأ دورة النقل، حاليًا ، يتم إنشاء معظم الأمونيا في درجات حرارة عالية وضغوط باستخدام الوقود الأحفوري، هذه العملية كثيفة الطاقة وملوثة.
يستخدم الهيدروجين في كل مكان في الصناعة وسيُستخدم بشكل متزايد كوقود حيث يسعى العالم إلى إزالة الكربون من مصادر طاقته، ويتم تصنيعها اليوم بشكل غير مستدام من الغاز الطبيعي، مما يؤدي إلى انبعاثات ثاني أكسيد الكربون، ومن الصعب نقلها وتخزينها، حيث يحتاج الهيدروجين إلى تصنيعه ونقله بشكل مستدام عند الحاجة، إذا كان بالإمكان إنتاج أمونيا خالية من انبعاثات الكربون، على سبيل المثال عن طريق الاختزال الإلكتروليتي للنيتروجين باستخدام الكهرباء منزوعة الكربون ، فيمكن نقلها وتخزينها، وربما تكون بمثابة مصدر عند الطلب للهيدروجين الأخضر باستخدام المحفزات الضوئية المصنوعة من الحديد والنحاس بإضاءة LED ذكرت هنا. “
