قام الباحثون في جامعة كيوشو، بالتعاون مع جامعة أوساكا ومركز السيراميك الدقيق، بتطوير إطار يستخدم التعلم الآلي لتسريع اكتشاف المواد اللازمة لتكنولوجيا الطاقة الخضراء.
باستخدام النهج الجديد، حدد الباحثون ونجحوا في تصنيع مادتين مرشحتين جديدتين لاستخدامهما في خلايا وقود الأكسيد الصلب ، وهي الأجهزة التي يمكنها توليد الطاقة باستخدام أنواع الوقود مثل الهيدروجين، والتي لا ينبعث منها ثاني أكسيد الكربون .
ويمكن أيضًا استخدام النتائج التي توصلوا إليها، والتي تم نشرها في مجلة Advanced Energy Materials ، لتسريع البحث عن مواد مبتكرة أخرى خارج قطاع الطاقة.
واستجابة لارتفاع درجة حرارة المناخ، عمل الباحثون على تطوير طرق جديدة لتوليد الطاقة دون استخدام الوقود الأحفوري .
يوضح البروفيسور يوشيهيرو يامازاكي، من جامعة هارفارد. قسم علوم وتكنولوجيا المواد بجامعة كيوشو، منصة أبحاث الطاقة المشتركة/متعددة التخصصات (Q-PIT) “أحد الطرق لتحقيق الحياد الكربوني هو إنشاء مجتمع هيدروجيني.
ومع ذلك، بالإضافة إلى تحسين كيفية صنع الهيدروجين وتخزينه ونقله، نحتاج أيضًا إلى تعزيز كفاءة توليد الطاقة لخلايا وقود الهيدروجين”.
لتوليد تيار كهربائي، تحتاج خلايا وقود الأكسيد الصلب إلى أن تكون قادرة على توصيل أيونات الهيدروجين (أو البروتونات) بكفاءة من خلال مادة صلبة، تعرف باسم المنحل بالكهرباء.
في الوقت الحالي، ركزت الأبحاث المتعلقة بمواد الإلكتروليت الجديدة على الأكاسيد ذات الترتيبات البلورية المحددة جدًا للذرات، والمعروفة باسم بنية البيروفسكايت.
توسيع نطاق اكتشاف الشوارد الصلبة
يقول البروفيسور يامازاكي: “أول أكسيد موصل للبروتون تم اكتشافه كان في بنية البيروفسكايت، ويتم باستمرار الإبلاغ عن البيروفسكايت الجديدة عالية الأداء”، “لكننا نريد توسيع نطاق اكتشاف الشوارد الصلبة ليشمل أكاسيد غير البيروفسكايت، والتي لديها أيضًا القدرة على توصيل البروتونات بكفاءة عالية.”
ومع ذلك، فإن اكتشاف المواد الموصلة للبروتونات ذات الهياكل البلورية البديلة عبر طرق “التجربة والخطأ” التقليدية له قيود عديدة.
لكي يكتسب المنحل بالكهرباء القدرة على توصيل البروتونات، يجب إضافة آثار صغيرة من مادة أخرى، تعرف باسم إشابة، إلى المادة الأساسية، ولكن مع وجود العديد من القواعد الواعدة والمرشحات المشابهة – ولكل منها خصائص ذرية وإلكترونية مختلفة – فإن العثور على التركيبة المثالية التي تعزز موصلية البروتون يصبح أمرًا صعبًا ويستغرق وقتًا طويلاً.
وبدلاً من ذلك، قام الباحثون بحساب خصائص الأكاسيد والمنشطات المختلفة، ثم استخدموا التعلم الآلي لتحليل البيانات، وتحديد العوامل التي تؤثر على موصلية البروتون للمادة، والتنبؤ بالتركيبات المحتملة.
أول موصل بروتوني معروف بتركيبة بلورية
مسترشدون بهذه العوامل، قام الباحثون بعد ذلك بتركيب مادتين واعدتين، لكل منهما هياكل بلورية فريدة، وقاموا بتقييم مدى جودة توصيل البروتونات، ومن اللافت للنظر أن كلتا المادتين أظهرتا موصلية البروتون في تجربة واحدة فقط.
وسلط الباحثون الضوء على أن إحدى المواد هي أول موصل بروتوني معروف بتركيبة بلورية من السيلينيت، والآخر، الذي له بنية اليوليتيت، لديه مسار توصيل بروتون عالي السرعة يختلف عن مسارات التوصيل التي تظهر في البيروفسكايت.
حاليًا، أداء هذه الأكاسيد ككهارل منخفض، ولكن مع مزيد من الاستكشاف، يعتقد فريق البحث أنه يمكن تحسين موصليتها.
ويخلص البروفيسور يامازاكي إلى أن “إطار عملنا لديه القدرة على توسيع مساحة البحث عن الأكاسيد الموصلة للبروتون بشكل كبير، وبالتالي تسريع التقدم بشكل كبير في خلايا وقود الأكسيد الصلب، إنها خطوة واعدة إلى الأمام نحو تحقيق مجتمع الهيدروجين”، مضيفا “مع تعديلات طفيفة، يمكن أيضًا تكييف هذا الإطار مع مجالات أخرى من علم المواد، وربما تسريع تطوير العديد من المواد المبتكرة.”
