لفت الهيدروجين الانتباه في السنوات الأخيرة كمصدر محتمل للطاقة النظيفة لأنه يحترق دون أن ينتج عنه انبعاثات ضارة بالمناخ. ومع ذلك ، فإن طرق إنتاج الهيدروجين التقليدية لها بصمة كربونية كبيرة ، والطرق الأنظف باهظة الثمن ومعقدة تقنيًا.
يُبلغ الباحثون الآن عن تقدم كبير ، وهو محفز ثنائي القطب يعتمد على مركب واحد لإنتاج الهيدروجين والأكسجين بكفاءة من كل من مياه البحر والمياه العذبة. المحاولات السابقة لمثل هذه المحفزات ثنائية الوظيفة لتقسيم الماء إلى هيدروجين وأكسجين أدت عمومًا إلى ضعف الأداء في إحدى الوظيفتين. يعمل استخدام محفزين منفصلين ولكنه يزيد من تكلفة تصنيع المحفزات.
في العمل الموصوف في علوم الطاقة والبيئة ، أفاد باحثون من جامعة هيوستن وجامعة هونغ كونغ الصينية وجامعة وسط الصين للمعلمين باستخدام مركب نيكل / موليبدينوم / نيتروجين ، تم تعديله بكمية صغيرة من الحديد وزرع على رغوة النيكل إلى إنتاج الهيدروجين بكفاءة ، وبعد ذلك ، من خلال عملية إعادة البناء الكهروكيميائية الناتجة عن جهد الدوران ، يتم تحويله إلى مركب ينتج تفاعلًا قويًا مماثلًا لتطور الأكسجين.
قال الباحثون إن استخدام مركب واحد لكل من تفاعل تطور الهيدروجين (HER) وتفاعل تطور الأكسجين (OER) – على الرغم من أنه تغير قليلاً من خلال عملية إعادة البناء – لا يجعل تقسيم المياه أكثر تكلفة فحسب ، بل إنه يبسط أيضًا التحديات الهندسية.
معظم المواد هي الأنسب إما لـ HER أو OER ، لكن كلا التفاعلين مطلوبان لإكمال التفاعل الكيميائي وإنتاج الهيدروجين من الماء. قال Zhifeng Ren ، مدير مركز تكساس للموصلية الفائقة في UH والمؤلف المقابل للورقة ، إن المحفز الجديد لا يسمح فقط بالعمليات الفعالة باستخدام محفز واحد ، ولكنه يعمل أيضًا بشكل جيد في مياه البحر والمياه العذبة. وقال “بالمقارنة مع المحفزات الموجودة ، هذا يعادل أفضل ما تم الإبلاغ عنه على الإطلاق”.
باستخدام مياه البحر القلوية والعمل في ظل ظروف شبه صناعية ، قدم المحفز كثافة حالية تبلغ 1000 مللي أمبير / سنتيمتر مربع باستخدام 1.56 فولت فقط في مياه البحر ، وظل مستقرًا لمدة 80 ساعة من الاختبار.
يمكن للأداء القوي للمحفز في مياه البحر أن يحل مشكلة: تعمل معظم المحفزات المتاحة بشكل أفضل في المياه العذبة. يعتبر تقسيم مياه البحر أكثر تعقيدًا ، ويرجع ذلك جزئيًا إلى التآكل المرتبط بالملح والمعادن الأخرى.
قال رين ، وهو أيضًا أستاذ كرسي MD Anderson للفيزياء في UH ، إن المحفز الجديد يولد أيضًا أكسجينًا نقيًا ، متجنبًا المنتج الثانوي المحتمل لغاز الكلور المسبب للتآكل الناتج عن بعض المحفزات.
لكن إمدادات المياه العذبة محدودة بشكل متزايد بسبب الجفاف والنمو السكاني. وعلى النقيض من ذلك ، فإن مياه البحر وفيرة. قال رن: “في العادة ، حتى لو كان المحفز يعمل مع المياه المالحة ، فإنه يتطلب استهلاكًا أعلى للطاقة”. “في هذه الحالة ، فإن طلب نفس استهلاك الطاقة مثل المياه العذبة هو خبر سار للغاية.”
قال Shuo Chen ، الأستاذ المساعد في الفيزياء في UH والمؤلف المقابل المشارك في الورقة ، إن كثافة التيار القوية التي أبلغ عنها المحفز عند الجهد المنخفض نسبيًا تقلل من تكلفة الطاقة لإنتاج الهيدروجين. قال تشين ، وهو أيضًا باحث رئيسي في TcSUH ، إن هذه مجرد طريقة واحدة يعالج المحفز القدرة على تحمل التكاليف.
باستخدام مادة واحدة – مركب النيكل / الموليبدينوم / النيتروجين المعدني بالحديد – لـ HER ثم استخدام جهد الدوران لتحفيز إعادة البناء الكهروكيميائية لإنتاج مادة مختلفة قليلاً ، أكسيد الحديد / الموليبدينوم / أكسيد النيكل ، لـ OER ، قالت تشين إن الباحثين يلغيون الحاجة إلى محفز ثان مع تبسيط المتطلبات الهندسية أيضًا.
وأضافت: “إذا كنت تصنع جهازًا من مادتين مختلفتين على قطبين ، فعليك أن تعرف كيف يمكن للشحنة الكهربائية أن تتدفق عبر كل قطب كهربي ، وأن تصمم الهيكل المناسب لذلك”، “في هذه الحالة ، المادة ليست هي نفسها تمامًا ، لأن أحد (قطب كهربائي) يخضع لعملية إعادة بناء كهروكيميائية ، لكنها مادة متشابهة جدًا ، وبالتالي فإن الهندسة أسهل.”
