دراسة : محفز جديد يقلل من تكلفة استخلاص الهيدروجين من الماء

كتبت : حبيبة جمال

يواصل العلماء  البحث عن طرق منخفضة التكلفة لإنتاج الهيدروجين النظيف من الماء ليحل محل الوقود الأحفوري ، كجزء من السعي لمكافحة تغير المناخ.

يمكن للهيدروجين تشغيل المركبات بينما لا ينبعث منه سوى الماء. يعتبر الهيدروجين أيضًا مادة كيميائية مهمة للعديد من العمليات الصناعية ، وعلى الأخص في صناعة الصلب وإنتاج الأمونيا. استخدام الهيدروجين الأنظف أمر مرغوب فيه للغاية في تلك الصناعات.

قال دي جيا ليو ، كيميائي أول في Argonne “باستخدام المحفز المعتمد على الكوبالت المحضر بطريقتنا ، يمكن للمرء إزالة عنق الزجاجة الرئيسي لتكلفة إنتاج الهيدروجين النظيف في المحلل الكهربائي.”

طور فريق متعدد المؤسسات بقيادة مختبر أرجون الوطني التابع لوزارة الطاقة الأمريكية (DOE) محفزًا منخفض التكلفة لعملية تنتج الهيدروجين النظيف من الماء. ومن بين المساهمين الآخرين مختبرات سانديا الوطنية التابعة لوزارة الطاقة ومختبر لورانس بيركلي الوطني ، بالإضافة إلى شركة Giner Inc.

قال دي جيا ليو ، الكيميائي الأول في Argonne: “تنتج عملية تسمى التحليل الكهربائي الهيدروجين والأكسجين من الماء وهي موجودة منذ أكثر من قرن”. كما أنه حاصل على موعد مشترك في كلية بريتزكر للهندسة الجزيئية بجامعة شيكاغو.

المحلل الكهربائي

يمثل المحلل الكهربائي غشاء تبادل البروتون (PEM) جيلًا جديدًا من التكنولوجيا لهذه العملية. يمكنهم تقسيم الماء إلى هيدروجين وأكسجين بكفاءة أعلى في درجة حرارة الغرفة القريبة. إن انخفاض الطلب على الطاقة يجعلها خيارًا مثاليًا لإنتاج الهيدروجين النظيف باستخدام مصادر متجددة ولكنها متقطعة ، مثل الطاقة الشمسية وطاقة الرياح.

يعمل هذا المحلل الكهربائي مع محفزات منفصلة لكل من أقطابها (الكاثود والأنود). ينتج محفز الكاثود الهيدروجين ، بينما محفز الأنود يشكل الأكسجين. المشكلة هي أن محفز الأنود يستخدم الإيريديوم ، الذي يبلغ سعره الحالي في السوق حوالي 5000 دولار للأونصة. يشكل نقص العرض وارتفاع تكلفة الإيريديوم حاجزًا رئيسيًا أمام اعتماد المحلل الكهربائي PEM على نطاق واسع.

المكون الرئيسي في المحفز الجديد هو الكوبالت ، وهو أرخص بكثير من الإيريديوم.

قال ليو: “لقد سعينا إلى تطوير محفز أنود منخفض التكلفة في محلل كهربي PEM يولد الهيدروجين بإنتاجية عالية بينما يستهلك الحد الأدنى من الطاقة”. “باستخدام المحفز المعتمد على الكوبالت المحضر بطريقتنا ، يمكن للمرء إزالة عنق الزجاجة الرئيسي لتكلفة إنتاج الهيدروجين النظيف في المحلل الكهربائي.”

المحفز الجديد

قامت شركة Giner Inc. ، وهي شركة بحث وتطوير رائدة تعمل على تسويق المحلل الكهربائي وخلايا الوقود ، بتقييم المحفز الجديد باستخدام محطات اختبار المحلل الكهربائي PEM في ظل ظروف التشغيل الصناعية. لقد تجاوز أداء ومتانة محفزات المنافسين بكثير.

من المهم لتعزيز أداء المحفز فهم آلية التفاعل على المستوى الذري تحت ظروف تشغيل المحلل الكهربي. قام الفريق بفك تشفير التغييرات الهيكلية الحرجة التي تحدث في المحفز تحت ظروف التشغيل باستخدام تحليلات الأشعة السينية في مصدر الفوتون المتقدم (APS) في أرجون. حددوا أيضًا ميزات المحفز الرئيسية باستخدام المجهر الإلكتروني في Sandia Labs وفي مركز Argonne للمواد النانوية (CNM). APS و CNM كلاهما من مرافق المستخدم التابعة لمكتب العلوم التابع لوزارة الطاقة.

قال جينجو وين عالم مواد Argonne: “لقد صورنا التركيب الذري على سطح المحفز الجديد في مراحل مختلفة من التحضير”.

بالإضافة إلى ذلك ، كشفت النمذجة الحاسوبية في مختبر بيركلي عن رؤى مهمة حول متانة المحفز في ظل ظروف التفاعل.

يعد إنجاز الفريق خطوة إلى الأمام في مبادرة الطاقة الهيدروجينية الأرضية التي أطلقتها وزارة الطاقة ، والتي تحاكي برنامج “Moon Shot” التابع لبرنامج الفضاء الأمريكي في الستينيات. هدفها الطموح هو خفض تكلفة إنتاج الهيدروجين الأخضر إلى دولار واحد لكل كيلوغرام في عقد من الزمان. يمكن أن يؤدي إنتاج الهيدروجين الأخضر بهذه التكلفة إلى إعادة تشكيل اقتصاد الأمة. تشمل التطبيقات الشبكة الكهربائية والتصنيع والنقل والتدفئة السكنية والتجارية.

وأشار ليو إلى أنه “بشكل عام ، تؤسس نتائجنا مسارًا واعدًا للمضي قدمًا في استبدال المحفزات المصنوعة من معادن ثمينة باهظة الثمن بعناصر أقل تكلفة بكثير وأكثر وفرة”.