طريقة جديدة لإنتاج الهيدروجين منخفض الكربون من مياه البحر

مزيج مياه البحر من الهيدروجين والأكسجين والصوديوم، وعناصر أخرى يجعلها حيوية للحياة على الأرض، لكن نفس الكيمياء المعقدة جعلت من الصعب استخراج غاز الهيدروجين لاستخدامات الطاقة النظيفة.

الآن، وجد الباحثون طريقة لإخراج الهيدروجين من المحيط عن طريق تحويل مياه البحر من خلال نظام الغشاء المزدوج والكهرباء، أثبت تصميمها المبتكر نجاحه في توليد غاز الهيدروجين دون إنتاج كميات كبيرة من المنتجات الثانوية الضارة.

يمكن أن تساعد نتائج دراستهم، التي نُشرت اليوم في Joule ، على دفع الجهود لإنتاج وقود منخفض الكربون.

التحكم في طريقة تحرك الأيونات في مياه البحر

قال آدم نيلاندر، العالم المشارك في مركز SUNCAT لعلوم الواجهة والتحفيز، وهو SLAC-Stanford، تحاول العديد من أنظمة الماء إلى الهيدروجين اليوم استخدام طبقة أحادية أو غشاء أحادي الطبقة، وقد جمعت دراستنا طبقتين معًا”، المعهد المشترك، “سمحت لنا هذه الهياكل الغشائية بالتحكم في الطريقة التي تتحرك بها الأيونات في مياه البحر في تجربتنا.”

أجرى الدراسة مختبر المسرع الوطني SLAC التابع لوزارة الطاقة الأمريكية وجامعة ستانفورد مع متعاونين في جامعة أوريجون وجامعة مانشستر متروبوليتان.

غاز الهيدروجين هو وقود منخفض الكربون يُستخدم حاليًا بعدة طرق، مثل تشغيل المركبات الكهربائية التي تعمل بخلايا الوقود، وكخيار تخزين الطاقة طويل الأمد- وهو خيار مناسب لتخزين الطاقة لأسابيع أو شهور أو أكثر- للشبكات الكهربائية .

العديد من المحاولات لجعل غاز الهيدروجين يبدأ بالمياه العذبة أو المحلاة، لكن هذه الطرق قد تكون باهظة الثمن وتستهلك الكثير من الطاقة، من الأسهل التعامل مع المياه المعالجة لأنها تحتوي على عدد أقل من المواد – العناصر الكيميائية أو الجزيئات- التي تطفو حولها، ومع ذلك.

التحكم في العنصر الأكثر ضررًا

وقال الباحثون إن تنقية المياه باهظة الثمن وتتطلب طاقة وتضيف تعقيدًا للأجهزة. وقالوا إن خيارًا آخر، وهو المياه العذبة الطبيعية، يحتوي أيضًا على عدد من الشوائب التي تمثل مشكلة بالنسبة للتكنولوجيا الحديثة، بالإضافة إلى كونها موردًا محدودًا على هذا الكوكب.

كما قال جوزيف بيريمان، الباحث في SLAC وستانفورد لما بعد الدكتوراه، للعمل مع مياه البحر، طبق الفريق نظام غشاء ثنائي القطب (طبقتان) واختبره باستخدام التحليل الكهربائي، وهي طريقة تستخدم الكهرباء لدفع الأيونات، أو العناصر المشحونة، لتشغيل التفاعل المطلوب، بدأوا تصميمهم من خلال التحكم في العنصر الأكثر ضررًا لنظام مياه البحر – الكلوريد.

الكلوريد يقلل نظام التحليل الكهربائي

قال بيريمان: “هناك العديد من الأنواع المتفاعلة في مياه البحر التي يمكن أن تتداخل مع تفاعل الماء إلى الهيدروجين، وكلوريد الصوديوم الذي يجعل مياه البحر مالحة هو أحد المذنبين الرئيسيين”، “على وجه الخصوص، فإن الكلوريد الذي يصل إلى الأنود ويتأكسد سيقلل من عمر نظام التحليل الكهربائي، ويمكن أن يصبح في الواقع غير آمن بسبب الطبيعة السامة لمنتجات الأكسدة التي تشمل جزيئات الكلور والتبييض.”

يسمح الغشاء ثنائي القطب في التجربة بالوصول إلى الشروط اللازمة لصنع غاز الهيدروجين وتخفيف الكلوريد من الوصول إلى مركز التفاعل.

قال بيريمان: “نحن نضاعف بشكل أساسي من السبل الكفيلة بإيقاف تفاعل الكلوريد هذا”.

الهيدروجين

يؤدي نظام الغشاء المثالي ثلاث وظائف أساسية: فصل غازات الهيدروجين والأكسجين عن مياه البحر، يساعد على تحريك أيونات الهيدروجين والهيدروكسيد المفيدة فقط مع تقييد أيونات مياه البحر الأخرى؛ ويساعد على منع ردود الفعل غير المرغوب فيها، يعد التقاط هذه الوظائف الثلاث معًا أمرًا صعبًا، ويستهدف بحث الفريق استكشاف الأنظمة التي يمكنها الجمع بكفاءة بين هذه الاحتياجات الثلاثة.

في تجربتهم على وجه التحديد، مرت البروتونات، وهي أيونات الهيدروجين الموجبة، عبر إحدى طبقات الغشاء إلى مكان يمكن تجميعها فيه وتحويلها إلى غاز هيدروجين من خلال التفاعل مع قطب سالب الشحنة (كاثود)، يسمح الغشاء الثاني في النظام للأيونات السالبة فقط بالمرور من خلاله.

حجب جميع أيونات الكلوريد

كما قالت دانييلا مارين ، خريجة جامعة ستانفورد، مؤلف مشارك، كدعم إضافي، احتوت طبقة غشاء واحدة على مجموعات سالبة الشحنة تم تثبيتها على الغشاء، مما جعل من الصعب على الأيونات سالبة الشحنة الأخرى، مثل الكلوريد، أن تنتقل إلى أماكن لا ينبغي أن تكون فيها، وأثبت الغشاء سالب الشحنة فعاليته العالية في حجب جميع أيونات الكلوريد تقريبًا في تجارب الفريق، وعمل نظامهم دون إنتاج منتجات ثانوية سامة مثل المبيض والكلور.

كيفية تحرك أيونات مياه البحر عبر الأغشية

إلى جانب تصميم نظام غشاء من مياه البحر إلى الهيدروجين، قدمت الدراسة أيضًا فهمًا عامًا أفضل لكيفية تحرك أيونات مياه البحر عبر الأغشية، كما قال الباحثون، يمكن أن تساعد هذه المعرفة العلماء في تصميم أغشية أقوى لتطبيقات أخرى أيضًا، مثل إنتاج غاز الأكسجين.

قالت مارين: “هناك أيضًا بعض الاهتمام باستخدام التحليل الكهربائي لإنتاج الأكسجين”، “فهم تدفق الأيونات وتحويلها في نظام الغشاء ثنائي القطب أمر بالغ الأهمية لهذا الجهد أيضًا، إلى جانب إنتاج الهيدروجين في تجربتنا، أظهرنا أيضًا كيفية استخدام الغشاء ثنائي القطب لتوليد غاز الأكسجين.”

يخطط الفريق لتحسين الأقطاب الكهربائية والأغشية من خلال بنائها بمواد أكثر وفرة ويمكن تعدينها بسهولة.

قال الفريق، إن تحسين التصميم هذا يمكن أن يجعل نظام التحليل الكهربائي أسهل في الحجم المطلوب لتوليد الهيدروجين للأنشطة كثيفة الطاقة، مثل قطاع النقل.

قال توماس جاراميلو، الأستاذ في SLAC وستانفورد ومدير SUNCATالمستقبل مشرق لتقنيات الهيدروجين الخضراء”، “إن الرؤى الأساسية التي نكتسبها هي المفتاح لإعلام الابتكارات المستقبلية لتحسين الأداء والمتانة وقابلية التوسع لهذه التكنولوجيا.”