متوقع أن يصل الطلب العالمي على الهيدروجين إلى 530 مليون طن في عام 2050، أي بزيادة قدرها ستة أضعاف تقريبا عن عام 2020 وفقا لوكالة الطاقة الدولية.
حاليًا، الطريقة الأساسية لإنتاج الهيدروجين تتضمن تفاعل الغاز الطبيعي وبخار الماء، مما ينتج عنه ما يعرف بالهيدروجين الرمادي بسبب انبعاثات ثاني أكسيد الكربون، التي تشكل حوالي 80% من إجمالي إنتاج الهيدروجين.
في المقابل، يتم إنتاج الهيدروجين الأخضر من خلال التحليل الكهربائي للماء باستخدام الكهرباء، دون انبعاث ثاني أكسيد الكربون، ومع ذلك، يكمن التحدي في الاستخدام الحتمي لمحفزات المعادن الثمينة باهظة الثمن، مثل أكسيد الإيريديوم.
نجح فريق بحث بقيادة الدكتور يو سونج جونج من مركز أبحاث الهيدروجين وخلايا الوقود في المعهد الكوري للعلوم والتكنولوجيا (KIST) في تقليل تكلفة إنتاج الهيدروجين الأخضر بشكل كبير من خلال تنفيذ جهاز التحليل الكهربائي للمياه بغشاء التبادل الأنيوني مع أداء ممتاز ومتانة من خلال تقديم دعم الكربون.
تم استخدام دعامات الكربون كدعم لمختلف المحفزات الكهربائية بسبب موصليتها الكهربائية العالية ومساحة سطحها المحددة، ولكن استخدامها كان محدودًا لأنها تتأكسد بسهولة إلى ثاني أكسيد الكربون في ظروف التحليل الكهربائي للماء، خاصة عند الفولتية العالية وفي وجود الماء.
متانة ممتازة بسبب البنية الطبقية
قام الفريق بتصنيع مادة هيدروكسيد مزدوجة مكونة من النيكل والحديد والكوبالت، وهي بديل أرخص بكثير للإيريديوم، على دعامة كربون كارهة للماء واستخدمها كمحفز كهربائي لتفاعل تطور الأكسجين في التحليل الكهربائي بغشاء تبادل الأنيونات.
أظهر المحفز متانة ممتازة بسبب البنية الطبقية التي تواجه دعامة كربون كارهة للماء ومحفز هيدروكسيد مزدوج الطبقات من النيكل والحديد والكوبالت.
وفيما يتعلق بتآكل الكربون، فقد وجد أن توليد ثاني أكسيد الكربون أثناء عملية التآكل انخفض بأكثر من النصف، ويرجع ذلك في المقام الأول إلى انخفاض التفاعل مع الماء، وهو عامل رئيسي في تآكل الكربون.
نتيجة لتقييم الأداء، وجد أن دعم المحفز المطور حديثًا حقق كثافة تيار تبلغ 10.29 أمبير/سم 2 في منطقة 2 فولت، وهو ما يتجاوز كثافة التيار البالغة 9.38 أمبير/سم 2 لأكسيد الإيريديوم التجاري، وأثبت لفترة طويلة – مدة المتانة حوالي 550 ساعة.
علاقة بين أداء التحليل الكهربائي وكراهية الكربون للماء
أكد الباحثون أيضًا وجود علاقة بين أداء التحليل الكهربائي وكراهية الكربون للماء، وأظهروا لأول مرة أن كراهية الماء للدعم يمكن أن تؤثر بشكل كبير على أداء جهاز التحليل الكهربائي للماء.
وأضافوا “تؤكد نتائج هذا البحث إمكانية تطبيق أجهزة التحليل الكهربائي للمياه على دعامات الكربون، والتي كان استخدامها محدودًا في السابق بسبب مشاكل التآكل، ومن المتوقع أن تنمو تكنولوجيا التحليل الكهربائي للمياه إلى المستوى التالي إذا ركز البحث على تطوير المحفزات يتم توسيعه ليشمل أشكال الدعم المختلفة.”
وقال الدكتور يو سونج جونج يو من KIST ، سنسعى جاهدين لتطوير العديد من تقنيات الطاقة الصديقة للبيئة، بما في ذلك إنتاج الهيدروجين الأخضر”.
