وسيلة واعدة لتطوير تقنيات الطاقة المستدامة.. تحسين كفاءة التفاعلات الحاسمة لإنتاج الهيدروجين الأخضر

في عصر أصبح فيه البحث عن مصادر الطاقة المستدامة أمرًا بالغ الأهمية، يستكشف الباحثون بلا كلل طرقًا مبتكرة لتعزيز عمليات إنتاج الوقود.

ومن أهم أدوات تحويل الطاقة الكيميائية إلى طاقة كهربائية والعكس هو التحفيز الكهربائي، والذي يستخدم بالفعل في مختلف تقنيات الطاقة الخضراء.

يعمل التحفيز الكهربائي على تسريع التفاعلات الكهروكيميائية من خلال استخدام المحفزات، وهي مواد تزيد من معدلات التفاعل دون أن تستهلك نفسها.

يعد التحفيز الكهربائي أمرًا أساسيًا في أجهزة مثل خلايا الوقود والمحللات الكهربائية، حيث يتيح التحويل الفعال للوقود مثل الهيدروجين والأكسجين إلى كهرباء، أو الماء إلى هيدروجين وأكسجين، على التوالي، مما يسهل دورة الطاقة النظيفة.

لكن المشكلة هي الكفاءة، غالبًا ما تفشل طرق التحفيز الكهربائي التقليدية في تحقيق أقصى قدر من نقل المواد المتفاعلة إلى سطح المحفز، وهي خطوة أساسية في تحويل الطاقة.

وهذا يقلل من الكفاءة الإجمالية للتفاعل، ويبطئ تقدمنا نحو حلول الطاقة النظيفة.

الآن، قام العلماء بقيادة ماجالي لينجنفيلدر في EPFL بتطوير نهج جديد لتتبع العمليات الأساسية التي تعزز كفاءة إنتاج الوقود النظيف.

نُشر هذا العمل في مجلة Nature Communications ، وركز على التقاطع الواعد بين المجالات المغناطيسية والتحفيز الكهربائي، مما يوفر طريقًا لتقنيات إنتاج وقود أكثر كفاءة وصديقة للبيئة.

أظهرت الدراسة أن إحاطة المحفزات بالمجالات المغناطيسية يخلق قوى لورنتز، وهي القوى التي تؤثر بها المجالات المغناطيسية على الشحنات الكهربائية المتحركة.

وهذه بدورها تحفز حركات دوامية تعزز حركة المواد المتفاعلة والمنتجات على سطح المحفز، مما يضمن تفاعلًا أكثر اتساقًا وسرعة ولكن أيضًا التغلب على القيود التي تفرضها ندرة المواد المتفاعلة، وهي عقبة شائعة في التفاعلات مثل تفاعل اختزال الأكسجين (ORR)، حاسمة لخلايا الوقود.

للقيام بكل هذا، كان على الباحثين بناء أداة لمراقبة حركة الأيونات في الوقت الحقيقي تحت مجال مغناطيسي، وذلك باستخدام إعداد مغناطيسي كهروكيميائي متقدم.

من أجل الإعداد المتطور الفعلي، لجأت لينجنفيلدر إلى جارها في المكتب وخبير الإلكترونيات الدورانية، البروفيسور جان فيليب أنسيرميت، الذي درس أيضًا تأثيرات الدوران في الكيمياء الكهربائية.

تعزيز التحفيز الكهربائي

وتقول لينجنفيلدر : “لقد قمنا بتكييف المغناطيس الكهربائي الخاص بجان فيليب لقياس تأثيرات المجال المغناطيسي على التفاعلات التحفيزية الكهربائية الرئيسية للطاقة الخضراء”، “باستخدام خدعة إبداعية طورها بريسيلا ويونتشانج -المؤلفان الأوائل للدراسة-، تمكنا من تتبع كيفية تحرك الأيونات في المنحل بالكهرباء تحت مجال مغناطيسي وتوفير أرضية صلبة حول كيفية تطبيق المجالات المغناطيسية لتعزيز التحفيز الكهربائي بطريقة قابلة للتكرار.”

من خلال تطبيق المجالات المغناطيسية على الأقطاب الكهربائية غير المغناطيسية ومراقبة التفاعلات، تمكن العلماء من فصل التأثيرات المختلفة وملاحظة كيف يمكن للقوى المغناطيسية تحريك وتعزيز حركة المواد المتفاعلة حول المحفز.

تعمل هذه العملية، التي تشبه إنشاء دوامات مصغرة، على تحسين كفاءة التفاعلات الحاسمة لإنتاج الهيدروجين الأخضر بشكل كبير، مما يوفر وسيلة واعدة لتطوير تقنيات الطاقة المستدامة.

هل الطريقة الجديدة عملية؟ في الدراسة، أظهر العلماء زيادة بنسبة تزيد عن 50% في نشاط تفاعل تقليل الأكسجين الناجم عن المجالات المغناطيسية على الواجهات غير المغناطيسية.

إنتاج وقود مستدام أكثر فعالية

يمثل هذا قفزة كبيرة في الكفاءة، ولكن الأهم من ذلك أنه سمح للفريق بحل العديد من الخلافات الأساسية في هذا المجال من خلال إظهار الآليات والظروف اللازمة للمجالات المغناطيسية لتعزيز تفاعلات التحفيز الكهربائي المختلفة التي تشمل منتجات الغاز أو المواد المتفاعلة مثل الهيدروجين والأكسجين.

ترسم الدراسة الطريق نحو استخدام المجالات المغناطيسية لتحسين كفاءة التحفيز الكهربائي الذي يمكن أن يدفعنا نحو إنتاج وقود مستدام أكثر فعالية.

ويمكن أن يحدث ثورة في تكنولوجيات تحويل الطاقة، ويجعل اعتماد خلايا الوقود على نطاق أوسع، على سبيل المثال، في مركبات الهيدروجين، وزيادة إنتاج الهيدروجين كمصدر للطاقة النظيفة، وكذلك التخفيف من تأثير استهلاكنا للطاقة على تغير مناخ الكوكب.