إنتاج الهيدروجين النظيف من الماء باستخدام محفز منخفض التكلفة والحد الأدنى من الطاقة

إن إمدادات وفيرة من الطاقة النظيفة تكمن في مرأى من الجميع.

إنه الهيدروجين الذي يمكن استخراجه من الماء (H 2 O) باستخدام الطاقة المتجددة.

يبحث الباحثون عن استراتيجيات فعالة من حيث التكلفة لتوليد الهيدروجين النظيف من المياه، بهدف استبدال الوقود الأحفوري ومحاربة تغير المناخ.

يعتبر الهيدروجين مصدرًا قويًا للطاقة للمركبات، ولا ينبعث منه أكثر من الماء، كما أنه يلعب دورًا حاسمًا في العديد من العمليات الصناعية، لا سيما في إنتاج الصلب والأمونيا، سيكون استخدام الهيدروجين الأنظف في هذه الصناعات مفيدًا للغاية.

محفزًا منخفض التكلفة

طور فريق متعدد المؤسسات بقيادة مختبر أرجون الوطني التابع لوزارة الطاقة الأمريكية (DOE) محفزًا منخفض التكلفة لعملية تنتج الهيدروجين النظيف من الماء، ومن بين المساهمين الآخرين مختبرات سانديا الوطنية التابعة لوزارة الطاقة ومختبر لورانس بيركلي الوطني، بالإضافة إلى شركة جينر.

قال دي جيا ليو، الكيميائي الأول في Argonne تنتج عملية تسمى التحليل الكهربائي الهيدروجين والأكسجين من الماء وهي موجودة منذ أكثر من قرن”، كما أنه حاصل على موعد مشترك في كلية بريتزكر للهندسة الجزيئية بجامعة شيكاغو .

تمثل المحلل الكهربائي غشاء تبادل البروتون (PEM) جيلًا جديدًا من التكنولوجيا لهذه العملية. يمكنهم تقسيم الماء إلى هيدروجين وأكسجين بكفاءة أعلى في درجة حرارة الغرفة القريبة.

إن انخفاض الطلب على الطاقة يجعلها خيارًا مثاليًا لإنتاج الهيدروجين النظيف باستخدام مصادر متجددة ولكنها متقطعة، مثل الطاقة الشمسية وطاقة الرياح.

يعمل هذا المحلل الكهربائي مع محفزات منفصلة لكل من أقطابها (الكاثود والأنود)، ينتج محفز الكاثود الهيدروجين، بينما محفز الأنود يشكل الأكسجين.

المشكلة هي أن محفز الأنود يستخدم الإيريديوم، الذي يبلغ سعره الحالي في السوق حوالي 5000 دولار للأوقية، يشكل نقص العرض وارتفاع تكلفة الإيريديوم حاجزًا رئيسيًا أمام الاعتماد الواسع النطاق للمحلل الكهربائي PEM.

المكون الرئيسي في المحفز الجديد هو الكوبالت، وهو أرخص بكثير من الإيريديوم.

قال ليو: “لقد سعينا إلى تطوير محفز أنود منخفض التكلفة في محلل كهربي PEM يولد الهيدروجين بإنتاجية عالية بينما يستهلك الحد الأدنى من الطاقة”، “باستخدام المحفز المعتمد على الكوبالت المحضر بطريقتنا ، يمكن للمرء إزالة عنق الزجاجة الرئيسي لتكلفة إنتاج الهيدروجين النظيف في المحلل الكهربائي.”

قامت شركة Giner Inc ، وهي شركة بحث وتطوير رائدة تعمل على تسويق المحلل الكهربائي وخلايا الوقود، بتقييم المحفز الجديد باستخدام محطات اختبار المحلل الكهربائي PEM في ظل ظروف التشغيل الصناعية، لقد تجاوز أداء ومتانة المحفزات المنافسة.

من المهم لتعزيز أداء المحفز فهم آلية التفاعل على المستوى الذري تحت ظروف تشغيل المحلل الكهربي.

قام الفريق بفك تشفير التغييرات الهيكلية الحرجة التي تحدث في المحفز تحت ظروف التشغيل باستخدام تحليلات الأشعة السينية في مصدر الفوتون المتقدم (APS) في أرجون.

حددوا أيضًا ميزات المحفز الرئيسية باستخدام المجهر الإلكتروني في Sandia Labs وفي مركز Argonne للمواد النانوية (CNM) APS و CNM كلاهما من مرافق المستخدم التابعة لمكتب العلوم التابع لوزارة الطاقة.

متانة المحفز

قال Jianguo Wen ، عالم مواد Argonne: “لقد صورنا التركيب الذري على سطح المحفز الجديد في مراحل مختلفة من التحضير”.

بالإضافة إلى ذلك، كشفت النمذجة الحاسوبية في مختبر بيركلي عن رؤى مهمة حول متانة المحفز في ظل ظروف التفاعل.

يعد إنجاز الفريق خطوة إلى الأمام في مبادرة الطاقة الهيدروجينية الأرضية التي أطلقتها وزارة الطاقة، والتي تحاكي “لقطة القمر” لبرنامج الفضاء الأمريكي في الستينيات، هدفها الطموح هو خفض تكلفة إنتاج الهيدروجين الأخضر إلى دولار واحد لكل كيلوجرام في عقد من الزمان.

يمكن أن يؤدي إنتاج الهيدروجين الأخضر بهذه التكلفة إلى إعادة تشكيل الاقتصاد، تشمل التطبيقات الشبكة الكهربائية والتصنيع والنقل والتدفئة السكنية والتجارية.

وأشار ليو إلى أنه “بشكل عام، تؤسس نتائجنا مسارًا واعدًا للمضي قدمًا في استبدال المحفزات المصنوعة من معادن ثمينة باهظة الثمن بعناصر أقل تكلفة بكثير وأكثر وفرة”.