نفايات مصانع الورق تتحول إلى محفز لإنتاج الهيدروجين النظيف

طور الباحثون محفزًا جديدًا من اللجنين، وهو مادة نباتية نفاية، يحسن بشكل كبير خطوة أساسية في التحليل الكهربائي للماء.

يتم إنتاج المحفز عن طريق دمج جزيئات أكسيد النيكل وأكسيد الحديد ضمن ألياف كربونية مشتقة من اللجنين، ما يعزز كفاءة واستقرار تفاعل تطور الأكسجين، وهو خطوة حاسمة في فصل الماء لإنتاج الهيدروجين.

وبحسب الدراسة المنشورة في Biochar X، يعمل المحفز عند جهد منخفض يبلغ 250 مللي فولت عند كثافة تيار 10 مللي أمبير/سم²، ويستمر في الأداء الموثوق لأكثر من 50 ساعة عند كثافات تيار عالية، مما يوفر خيارًا عمليًا وموفرًا مقارنة بالمحفزات المعدنية الثمينة المستخدمة تقليديًا في التحليل الكهربائي الصناعي.

وقال يانلين تشين، المؤلف المشارك من جامعة قوانجدونج للتكنولوجيا: “تطور الأكسجين يمثل أحد أكبر العوائق أمام إنتاج الهيدروجين بكفاءة، يظهر عملنا أن محفزًا مصنوعًا من اللجنين، وهو منتج ثانوي منخفض القيمة في صناعات الورق والمصانع الحيوية، يمكن أن يقدم نشاطًا عاليًا ومتانة استثنائية، وهذا يوفر مسارًا أكثر خضرة واقتصادية لإنتاج الهيدروجين على نطاق واسع.”

المزايا الهيكلية

يُعد اللجنين واحدًا من أكثر البوليمرات الحيوية وفرة على كوكب الأرض، إلا أنه غالبًا ما يُحرق لتوليد حرارة منخفضة الجودة بدلًا من استخدامه في تطبيقات ذات قيمة أعلى.

في هذه الدراسة، حوّل الباحثون اللجنين إلى ألياف كربونية عبر تقنية الغزل الكهربائي والمعالجة الحرارية.

الإطار الناقل الناتج يدعم ويحمي جزيئات أكسيد المعادن النشطة، وتتميز المادة المعروفة باسم NiO/Fe3O4@LCFs بشبكة من الألياف الكربونية المخدرة بالنيتروجين، ما يعزز انتقال الشحنة، ويزيد المساحة السطحية، ويوفر استقرارًا ميكانيكيًا قويًا.

أظهرت المجاهر عالية الدقة، أن أكاسيد النيكل والحديد تتشكل في وصلات نانوية داخل شبكة الألياف الكربونية، تلعب هذه الواجهات دورًا حاسمًا في تسريع تطور الأكسجين من خلال توازن امتصاص وإطلاق وسائط التفاعل.

كما يعزز الجمع بين أكاسيد المعادن والدعم الكربوني الموصل نقل الإلكترونات ويحد من تجمع الجزيئات، وهما مشكلتان شائعتان في المحفزات المعدنية الأساسية التقليدية.

الأداء الكهروكيميائي والرؤى الميكانيكية

أكدت الاختبارات الكهروكيميائية تفوق المحفز على النسخ المعدنية الأحادية، خاصة عند كثافات التيار العالية المطلوبة للتحليل الكهربائي العملي للماء.

كما أظهر ميل تافل منخفض يبلغ 138 مللي فولت لكل عقدة، ما يشير إلى سرعات تفاعل أعلى.

تدعم قياسات رامان الميدانية ونماذج النظرية الدالية الكثافة الآلية المقترحة، موضحة أن الواجهة المصممة تسهّل خطوات رئيسية في مسار تطور الأكسجين.

وقال شو تشينج، المؤلف المشارك: “هدفنا كان تطوير محفز يقدم أداءً جيدًا وقابلًا للتوسع ويعتمد على مواد مستدامة، نظرًا لإنتاج كميات هائلة من اللجنين عالميًا، يوفر هذا النهج مسارًا واقعيًا نحو تقنيات إنتاج الهيدروجين الصناعي الخضراء.”

تسلط الدراسة الضوء على الإمكانات المتزايدة للمواد المشتقة من الكتلة الحيوية في أنظمة تحويل الطاقة، من خلال الجمع بين الدعامات الكربونية المتجددة والهندسة العقلانية لواجهات أكاسيد المعادن، يتماشى هذا النهج مع الجهود العالمية لتطوير حلول منخفضة التكلفة وصديقة للبيئة للطاقة النظيفة.

ويعتقد الباحثون أن هذه الاستراتيجية يمكن توسيعها لتشمل مجموعات معدنية وعمليات تحفيزية أخرى، مما يفتح آفاقًا لتصميم محفزات كهربائية متقدمة من موارد طبيعية وفيرة.