للمساعدة في معالجة تغير المناخ، العالم بحاجة ماسة إلى التحول إلى الطاقة النظيفة، يعد قطاع الطاقة مساهمًا كبيرًا في انبعاثات الغازات الدفيئة، والتي تعد المحرك الرئيسي لظاهرة الاحتباس الحراري .
يقوم فريق البحث لدينا في جامعة ويسترن أونتاريو بابتكار طرق لتوليد الكهرباء النظيفة، وتقع خلايا الوقود في طليعة هذا المسعى، حيث توفر العديد من المزايا في السعي إلى إيجاد حلول للطاقة المستدامة .
توفر هذه الأجهزة مسارًا واعدًا للطاقة النظيفة عن طريق تحويل الطاقة الكيميائية بكفاءة إلى كهرباء باستخدام الماء والحرارة فقط كمنتجات ثانوية، وهذا يجعلها خيارًا صديقًا للبيئة لتوليد الكهرباء.
واحدة من أكثر أنواع خلايا الوقود الواعدة هي خلية الوقود الغشائية البوليمرية (PEMFC) بسبب تطبيقاتها في وسائل النقل ومصادر الطاقة المحمولة والثابتة، حيث تعد الكفاءة والاستجابة وتقليل الانبعاثات من العوامل الحاسمة.
البلاتين كمحفز
أحد التحديات الرئيسية التي تعيق التبني الواسع النطاق لمادة PEMFC يكمن في استخدام البلاتين، الذي يمثل مشكلة بسبب ندرته، يرجع هذا الاعتماد على البلاتين إلى قدرته على تسهيل تفاعل اختزال الأكسجين (ORR) ، وهي عملية أساسية في إنتاج الطاقة الكهربائية داخل مركبات PEMFC.
يتضمن ORR اختزال جزيئات الأكسجين في الماء من خلال سلسلة من التفاعلات المعقدة، هذه العملية مسؤولة عن توليد الطاقة الكهربائية التي توفرها خلايا الوقود هذه.
وجود البلاتين كمحفز يقلل من الطاقة اللازمة لتقليل جزيئات الأكسجين، بدون البلاتين، سيحدث ORR ببطء شديد بحيث لا ينتج إنتاجًا عمليًا وفعالًا للكهرباء.
ومع ذلك، فإن التكلفة العالية وندرة البلاتين تمثل تحديات كبيرة أمام الجدوى التجارية لمركبات PEMFCs، أدى ارتفاع سعر البلاتين إلى جعل استخدامه في إنتاج خلايا الوقود على نطاق واسع أمرًا محظورًا اقتصاديًا، مما يمنع مركبات PEMFC من أن تصبح حلاً رئيسيًا للطاقة النظيفة .
يعمل بحثنا على إنشاء محفزات يمكن أن تحل محل البلاتين بشكل فعال.
يستفيد فريق البحث من المرافق المتطورة مثل مصدر الضوء الكندي ومصدر الفوتون المتقدم ومصدر الفوتون التايواني .
ومن خلال تسخير هذه الموارد والتقنيات، نستكشف استراتيجيات مختلفة لتطوير المحفزات، ونكتسب رؤى عميقة حول خصائصها الهيكلية والكيميائية، ونفهم بشكل أفضل كيف يمكنها تعزيز هدفنا المتمثل في تقليل الاعتماد على البلاتين.
عالم معقد من تصميم المحفز
يستكشف البحث تصميم المحفز، مع التركيز بشكل خاص على تقنيتين أساسيتين: صناعة سبائك البلاتين مع المعادن الانتقالية وصياغة هياكل القشرة الأساسية المعقدة.
صناعة سبائك البلاتين هي عملية خلط البلاتين مع معادن انتقالية أخرى لتحسين الأداء التحفيزي، يؤدي هذا النهج إلى تحسين التفاعل والمتانة للمحفزات ، مما يجعلها فعالة للغاية عبر مجموعة واسعة من التطبيقات، بما في ذلك خلايا الوقود.
بالإضافة إلى صناعة السبائك، يتطرق بحثنا أيضًا إلى تطوير الهياكل الأساسية المعقدة، في هذا النهج، يتم تغليف قلب معدني فعال من حيث التكلفة بعدة طبقات من الغلاف المصنوع من مادة أخرى، مما يوفر الحماية مع زيادة تعزيز الكفاءة التحفيزية.
يسمح هذا التصميم بالتحكم الدقيق في التفاعلات التحفيزية وتحسين خصائص السطح وتقليل هدر المواد.
التحديات المستمرة
وعلى الرغم من التقدم الذي أحرزه الباحثون، فإن متانة هذه المحفزات تشكل تحديًا. إن عدم الاستقرار المتأصل فيها، والذي يشير إلى ميلها إلى التدهور، أو التقليل من الفعالية، أو الخضوع لتعديلات غير مرغوب فيها، يمثل عائقًا كبيرًا أمام تطبيقات العالم الحقيقي.
لقد وجد فريق البحث حلاً محتملاً: ضخ مواد منشطة من الكوبالت إلى السطح والمنطقة القريبة من السطح من المحفزات، وهذا يخلق محفزات قائمة على البلاتين قادرة على تحمل الظروف القاسية ومرور الوقت، وهذا يعزز بشكل كبير متانة وفعالية هذه المحفزات.
قام فريق البحث بتطوير جسيمات جديدة – القشرة الأساسية المطلية بالبلاديوم والبلاتينيوم المطلية بالكوبالت – والتي تمتلك بنية ثماني السطوح مميزة ومرونة استثنائية لكل من البيئات الكيميائية القاسية والاستخدام المطول.
هذا الهيكل النانوي المبتكر، الذي يتميز بنواة من البلاديوم وقشرة خارجية من البلاتين، مع إضافة ذرة الكوبالت إلى القشرة البلاتينية، يوفر لهذه الجسيمات النانوية متانة استثنائية، إنها تظهر قدرة رائعة على تحمل التدهور والحفاظ على نشاطها التحفيزي على مدى فترات طويلة.
وبعد إجراء فحص شامل يتضمن 20,000 دورة اختبار متانة متسارعة، مصممة لتوفير فهم أفضل لكيفية تحلل المحفزات في ظروف معملية يتم التحكم فيها بعناية، لم يشهد أداءها سوى انخفاض طفيف بنسبة 2 % مقارنة بحالتها الأولية في بداية الاختبار.
المستقبل المحتمل
تتمتع الجسيمات النانوية ذات القشرة الأساسية من البلاديوم والبلاتين بالكوبالت بالقدرة على إحداث ثورة في تكنولوجيا خلايا الوقود، إن وعدهم كمحفزات ORR عالية الكفاءة ودائمة يشير إلى الطريق نحو مستقبل طاقة أكثر استدامة.
ويتوافق البحث مع الحاجة الملحة لمكافحة تغير المناخ باعتباره أزمة عالمية، ومن خلال استبدال الوقود الأحفوري ببدائل الطاقة النظيفة، يمكن المساهمة في مستقبل أكثر استدامة ومرونة.
