نظام جديد لإنتاج الهيدروجين الأخضر بتكلفة زهيدة وبكفاءة
ما الذي يتطلبه إنتاج الهيدروجين الأخضر بكفاءة أكبر وبتكلفة أقل؟ على ما يبدو، جزيئات الروثينيوم الصغيرة ونظام يعمل بالطاقة الشمسية للتحليل الكهربائي للمياه.
هذا هو الحل الذي اقترحه فريق مشترك يضم (المعهد الإيطالي للتكنولوجيا، IIT) في جنوة، وBeDimensional S.p.A.
تم تطوير هذه التقنية في سياق أنشطة المختبر المشترك وتم نشرها مؤخرًا في مجلة الجمعية الكيميائية الأمريكية Nature Communications ، تعتمد على عائلة جديدة من المحفزات الكهربائية التي يمكنها تقليل تكاليف إنتاج الهيدروجين الأخضر على المستوى الصناعي.
يعتبر الهيدروجين ناقلًا للطاقة المستدامة، وهو بديل للوقود الأحفوري. ولكن ليس كل الهيدروجين متماثلًا عندما يتعلق الأمر بالتأثير البيئي.
الطريقة الرئيسية لإنتاج الهيدروجين في الوقت الحاضر هي من خلال إعادة تشكيل بخار الميثان، وهي عملية تعتمد على الوقود الأحفوري والتي تطلق ثاني أكسيد الكربون (CO2) كمركب ثانوي -منتج.
ويصنف الهيدروجين الناتج عن هذه العملية على أنه “رمادي” (عندما يتم إطلاق ثاني أكسيد الكربون2 في الغلاف الجوي) أو “الأزرق” (عندما يخضع ثاني أكسيد الكربون2 للاحتجاز والتخزين الجيولوجي).
ولتقليل الانبعاثات بشكل كبير إلى الصفر بحلول عام 2050، يجب استبدال هذه العمليات بعمليات أكثر استدامة بيئيًا توفر حلولاً “خضراء” للبيئة (أي صافي الانبعاثات الصفرية) الهيدروجين، تكلفة “الأخضر” يعتمد الهيدروجين بشكل حاسم على كفاءة استخدام الطاقة في الإعداد (المحلل الكهربائي) الذي يقسم جزيئات الماء إلى هيدروجين وأكسجين.
وقد قام الباحثون من الفريق المشترك لهذا الاكتشاف بتطوير طريقة جديدة تضمن كفاءة أكبر من الطرق المعروفة حاليا في تحويل الطاقة الكهربائية (استغلال انحياز الطاقة لتقسيم الماء الجزيئات) إلى الطاقة الكيميائية المخزنة في جزيئات الهيدروجين التي يتم إنتاجها.
طور الفريق مفهوم المحفز واستخدم مصادر الطاقة المتجددة، مثل الطاقة الكهربائية التي تنتجها الألواح الشمسية.
قال يونج زو وميشيل فيري من مجموعة كيمياء النانو في IIT في جنوة، “في دراستنا، أظهرنا كيف أنه من الممكن زيادة كفاءة تقنية قوية ومتطورة إلى أقصى حد على الرغم من الاستثمار الأولي الذي يزيد قليلاً عن ما هو مطلوب لمحلل كهربائي قياسي، وذلك لأننا نستخدم معدنًا ثمينًا مثل الروثينيوم.
استخدم الباحثون جسيمات نانوية من الروثينيوم، وهو معدن نبيل يشبه البلاتين في سلوكه الكيميائي ولكنه أرخص بكثير.
تعمل جزيئات الروثينيوم النانوية كمرحلة نشطة لكاثود المحلل الكهربي، مما يؤدي إلى زيادة كفاءة المحلل الكهربي بشكل عام
وأوضح سيباستيانو بيلاني وماريلينا زابيا من BeDimensional، الذين شاركوا في الاكتشاف “لقد أجرينا تحليلات واختبارات كهروكيميائية في ظل ظروف صناعية مهمة مكنتنا من تقييم النشاط التحفيزي لموادنا.
بالإضافة إلى ذلك، أتاحت لنا عمليات المحاكاة النظرية فهم السلوك التحفيزي لجسيمات الروثينيوم النانوية على المستوى الجزيئي؛ بمعنى آخر آلية انقسام الماء على أسطحها».
وأضاف “من خلال الجمع بين البيانات من تجاربنا مع معلمات العملية الإضافية، قمنا بإجراء تحليل تقني واقتصادي أظهر القدرة التنافسية لهذه التكنولوجيا عند مقارنتها بأحدث أجهزة التحليل الكهربائي.”
الروثينيوم هو معدن ثمين يتم الحصول عليه بكميات صغيرة كمنتج ثانوي لاستخراج البلاتين (30 طنًا سنويًا، مقارنة بالإنتاج السنوي البالغ 200 طن من البلاتين) ولكن بتكلفة أقل (18.5 دولارًا للجرام مقابل 18.5 دولارًا للجرام الواحد). 30 دولارًا للبلاتين).
تتضمن التقنية الجديدة استخدام 40 ملجم فقط من الروثينيوم لكل كيلووات، في تناقض صارخ مع الاستخدام المكثف للبلاتين (ما يصل إلى 1 جرام لكل كيلووات) والإيريديوم (بين 1 و2.5 جرام لكل كيلووات)، حيث يبلغ سعر الإيريديوم حوالي 150 دولارًا (لكل جرام) التي تميز المحلل الكهربائي بغشاء تبادل البروتونات.
باستخدام الروثينيوم، تمكن الباحثون في IIT وBeDimensional من تحسين كفاءة المحلل الكهربائي القلوي، وهي تقنية تم استخدامها لعقود من الزمن بسبب قوتها ومتانتها.
على سبيل المثال، كانت هذه التقنية موجودة على متن كبسولة أبولو 11 التي أوصلت البشرية إلى القمر عام 1969.
العائلة الجديدة من الروثينيوم تعتبر الكاثودات القائمة على المحللات الكهربية القلوية التي تم تطويرها فعالة للغاية ولها عمر تشغيلي طويل، وبالتالي فهي قادرة على تقليل تكاليف إنتاج الهيدروجين الأخضر.
وخلص الباحثون “في المستقبل، نخطط لتطبيق هذه التقنيات وغيرها، مثل المحفزات ذات البنية النانوية القائمة على مواد مستدامة ثنائية الأبعاد، في المحللات الكهربائية المتطورة التي تعمل بالطاقة الكهربائية من مصادر متجددة، بما في ذلك الكهرباء المنتجة بواسطة الألواح الكهروضوئية”.
