تطوير تقنية لتحليل استقرار خلايا وقود الهيدروجين وبدائل البلاتين بتكلفة أقل

يعمل العلماء على طرق لتحسين كفاءة وتكلفة خلايا وقود الهيدروجين، لزيادة الوصول إلى الوقود النظيف، حيث يعد الهيدروجين لاعب رئيسي في السباق نحو مستقبل خال من الكربون، ولكن على الرغم من إمكاناته، فإن الطريق إلى التسويق التجاري كان بطيئًا.

هناك العديد من العوامل التي يحاول العلماء – بما في ذلك البروفيسور تشوان تشاو والدكتور كوينتين ماير وشيانح ليو من كلية الكيمياء بجامعة نيو ساوث ويلز – معالجتها لزيادة الجدوى التجارية لخلايا وقود الهيدروجين .

هناك مشكلات في التكلفة والموارد لبعض العناصر الأساسية التي تتكون منها خلية وقود الهيدروجين ، بما في ذلك البلاتين ، وهي المادة التي يشيع استخدامها كمحفز ضروري لتنشيط العملية، يعد إنشاء بدائل لمحفزات البلاتين أمرًا ضروريًا.

في جامعة نيو ساوث ويلز في سيدني يقول البروفيسور تشاو: “سيكون البلاتين باهظ الثمن دائمًا ، لأنه لا يوجد الكثير هناك”، “لذلك ، نحن بحاجة إلى استكشاف البدائل، مع توفير طريقة سريعة وسهلة لقياس مدى جودة عمل هذه المواد الجديدة في خلايا وقود الهيدروجين.”

في دراسة نُشرت في مجلة Energy & Environmental Science ، طور فريق البروفيسور Zhao عملية جديدة لاختبار متانة واستقرار بدائل البلاتين التي ستوفر رؤى جديدة في الخيارات المعقولة التكلفة لخلايا وقود الهيدروجين.

حالة خلايا وقود الهيدروجين

تستخدم خلايا وقود الهيدروجين ، التي تم تطويرها كمصدر للطاقة الخضراء في القرن التاسع عشر ، التفاعلات الكيميائية لتحطيم الهيدروجين إلى بروتونات وإلكترونات ، لإنتاج الكهرباء والماء.

يقول الدكتور ماير: “في الأساس لديك جانبان – الأنود والكاثود. تضع الهيدروجين على جانب واحد (الأنود) والأكسجين على الجانب الآخر (القطب السالب) ، والمحفزات التي تجعل التفاعل يحدث”، “أحد التفاعلات هو تقسيم الهيدروجين إلى بروتونات وإلكترونات ، ثم الجانب الآخر مؤكسد للأكسجين. تتفاعل البروتونات والإلكترونات مع الأكسجين عند الكاثود لتكوين الماء والكهرباء.”

يتمثل الاختلاف الرئيسي بين تقنية خلايا وقود الهيدروجين والبطاريات في أنك لست بحاجة إلى شحن خلايا وقود الهيدروجين. بدلاً من مضخة البنزين ، لديك فقط مضخة هيدروجين ويستغرق الأمر ثلاث دقائق فقط للتزود بالوقود في سيارة تعمل بخلايا وقود الهيدروجين.

لا تعتبر هذه العملية مصدرًا نظيفًا للطاقة فحسب، بل تنتج المياه فقط كمنتج ثانوي ، ولكنها أيضًا مستدامة، يعتبر الهيدروجين نفسه عنصرًا وفيرًا للغاية ، وعلى الرغم من أنه لا يحدث بشكل طبيعي ، إلا أنه يمكن استخراجه من الماء.

مشكلة التكلفة

يقول البروفيسور تشاو: “نواجه مشكلة من نوع” الدجاجة أو البيضة “، حيث لا يوجد لدينا ما يكفي من الهيدروجين قيد المعالجة ، أو أماكن كافية لاستخدام الهيدروجين بمجرد استخراجه”. “لذا ، عندما نبدأ في إنتاج المزيد من الهيدروجين والمزيد من خلايا الوقود ، سيصبح كلاهما أرخص.”

مشكلة رئيسية أخرى هي تكلفة المحفز. البلاتين الذي يشكل الطبقة الوسطى الأساسية لخلية الوقود يكلف ما بين 45000 دولار أسترالي و 100000 دولار أسترالي للكيلو.

يقول ليو: “يتمثل أحد الأساليب في استخدام بدائل البلاتين، مثل الحديد ، الذي يكلف حوالي 0.1 دولارًا أستراليًا للكيلو الواحد” ، ويضيف: “مادة واعدة معينة هي الحديد والنيتروجين والكربون، والمعروف أيضًا باسم Fe-NC”.

ومع ذلك ، فإن بدائل البلاتين الجديدة هذه ليست متاحة حاليًا على نطاق واسع لأنها ليست مستقرة مثل البلاتين وتتحلل بمعدل أسرع في خلايا وقود الهيدروجين، “بينما يمكن لخلايا الوقود القائمة على البلاتين أن تدوم حتى 40000 ساعة (حوالي أربع سنوات ونصف) ، فإن مواد الحديد والنيتروجين والكربون يمكن أن تعمل فقط لمدة تصل إلى 300 ساعة (حوالي أسبوعين) ، في أفضل سيناريو ، “يقول الدكتور ماير.

كان التقدم في هذا المجال بطيئًا، حيث إن إيجاد البدائل واختبار متانتها عملية طويلة ومكلفة. يقول الدكتور ماير: “على سبيل المثال، قد يستغرق إنشاء محفز جديد لخلية وقود الهيدروجين ما يصل إلى عام، ثم يستغرق وقتًا أطول لفهم ما يحدث بالضبط باستخدام معدات باهظة الثمن يصعب الوصول إليها”.

تطوير طرق لتحليل الاستقرار

بالنسبة للبروفيسور تشاو والدكتور ماير وفريقهم ، كان الرد على معالجة المشكلات الحالية في هذا المجال هو تطوير طريقة تسمح لك بفهم سبب عدم استقرار بعض المواد المحفزة مثل البلاتين.

كما يقول البروفيسور تشاو “باستخدام ثلاث طرق جديدة اختبرناها في المختبر ، يمكننا أن نكتشف بسرعة مدى استقرار خلية الوقود الخالية من البلاتين لدينا ، والأهم من ذلك أن نفهم السبب، ويمكن بسهولة اعتماد هذا النهج من قبل العلماء في المختبرات الأخرى لاكتساب رؤى سريعة ودقيقة حول كفاءة خلايا الوقود والعوامل الحفازة.

باستخدام هذه التقنيات، كشف الفريق أن ما يصل إلى 75٪ من المواقع النشطة القائمة على الحديد (المواقع المحددة التي تحدث فيها التفاعلات) تصبح غير نشطة في الساعات العشر الأولى من تشغيل خلية الوقود، بسبب فقدان مواقع الحديد النشطة. ثم يلي ذلك تآكل الكربون الذي أصبح آلية التحلل السائدة.

يقول الدكتور ماير، “هذا مهم بشكل خاص حيث يمكننا تحديد ما يحدث بالضبط ومتى يحدث. إذا قمنا بتطوير مادة بها مواقع نشطة أكثر استقرارًا، يجب أن نرى تحللًا أبطأ في الساعات العشر الأولى، في حين أن تآكل الكربون قد يكون له نفس الاتجاه”.

وأضاف، “من خلال السماح بالتتبع الدقيق لآليات التدهور ، نتوقع أن يكون مجال البحث قادرًا على صنع مواد جديدة تستهدف مشكلات الاستقرار هذه، ونتيجة لذلك، نعتقد أن نهجنا سيساعد في تحسين استقرار المحفزات الخالية من البلاتين وإعطاء هذا المجال مستقبل أكثر إشراقا”.

الخطوات التالية

في حين أن هذه خطوة رئيسية في مجال خلايا وقود الهيدروجين، فإن البروفيسور تشاو والدكتور ماير وفريقهم يضعون أنظارهم على الهدف التالي.

يقول البروفيسور تشاو: “نحن نطور حافزًا حيث نجمع معادن مختلفة لزيادة استقرار المحفزات”،. “باستخدام العملية التي طورناها هنا، يمكننا الحصول على رؤى سريعة وموثوقة حول استقرار هذه المحفزات غير البلاتينية منخفضة التكلفة، وهذا يمنحنا بعض النتائج المثيرة لفهم ما يحدث.”

يركز الفريق أيضًا على الطرق التي يمكنهم بها زيادة قابلية التوسع في محفز خلايا وقود الهيدروجين منخفض التكلفة والخالي من البلاتين من المختبر إلى منتج يمكن استخدامه لتشغيل أجهزة حقيقية، وفي يوم من الأيام ، نقل الطاقة على طرقنا.