استراتيجية جديدة لاستخراج الهيدروجين من الماء عبر التحليل الكهربائي بهدف تنقيتها
في السنوات الأخيرة، عمل المهندسون في مجال واسع من التقنيات التي يمكن أن تساعد على توليد الطاقة الكهربائية وتخزينها تخزينًا أكثر استدامة، وتشمل المحللات الكهربائية وهي الأجهزة التي يمكن أن تستخدم الكهرباء المولدة عن طريق الخلايا الكهروضوئية، وعنفات الرياح أو تقنيات الطاقة الأخرى لفصل المياه إلى هيدروجين وأكسجين بعملية تسمى التحليل الكهربائي.
يمكن أن يستخدم الهيدروجين الناتج عن المحولات الكهربائية في خلايا الوقود، وهي أجهزة تحول الطاقة الكيميائية في الهيدروجين إلى كهرباء بدون اشتعال ويمكن استخدامها لتشغيل الشاحنات والحافلات والرافعات الشوكية وآلات ثقيلة أخرى متنوعة، أو يمكن أن توفر طاقة احتياطية للمستشفيات ومراكز البيانات والمنشآت الأخرى.
العديد من أجهزة التحليل الكهربائي المصممة حديثًا تُحفِّز انقسام الماء إلى هيدروجين باستخدام غشاء تبادل البروتونات PEM، وهو غشاء يسمح بمرور البروتونات انتقائيًا، بينما يمنع مرور الغازات.
ابتُكرت محللات PEM الكهربائية لإنتاج الهيدروجين بنقاء أعلى مقارنةً بالمنتج عبر المحللات الكهربائية القلوية التي يشيع استخدامها حاليًا، مع ذلك فهي أعلى تكلفةً وتتطلب ماءً فائق النقاوة إذ تسبب الشوائب انخفاض كفاءة الجهاز بسرعة عبر الزمن (مثل الأيونات الموجبة، والأيونات السالبة والشوائب الأخرى).
مؤخرًا، ابتكر باحثون بجامعة تيانجين ومعاهد أخرى استراتيجيةً لتطوير عوامل محفزة من أجل محللات PEM الكهربائية، ما يتيح لها أيضًا تحليل المياه غير النقية.
اختُصرت استراتيجيتهم في ورقة علمية منشورة في مجلة نيتشر طاقةً بتفاصيل خلق البيئة الميكروية الحمضية في محللات PEM الكهربائية عن طريق طبقات تحوير لباعث الكاثود مستخدمًا نوعًا من المركبات تسمى أكاسيد حمض برونستد.
كتب رو جونج وانج ويوتنج يانج وزملاؤهما في ورقتهم العلمية: «عادة ما تَستخدم محللات PEM الكهربائية ماءً فائق النقاوة بصفته مغذٍ لأن أثر الشوائب في ماء التغذية خاصةً الشوائب الكاتيونية قد يُسبب فشلها. تطوير محللات PEM الكهربائية التي يمكنها تَحَمُّل الماء الأقل نقاوة يمكن أن يقلل المعالجة القبلية للماء ويقلل تكاليف الصيانة ويمد عمر النظام. في هذا السياق يمكننا تطوير محللات PEM كهربائية لبيئات ميكروية ذات درجة حموضة مضبوطة يمكنها العمل بانتظام بماء صنبور غير نقي لأكثر من 3,000 ساعة عند الكثافة الحالية وهي 1 أمبير/ سم2 محافظةً على أداء يقارن بأحدث محللات PEM الكهربائية التي تستخدم الماء النقي».
لتقييم إمكانيات استراتيجيتهم أضاف وانج ويانج و زملاؤهما أكسيد حمض برونستد MoO3-x إلى كاثود مصنوع من البلاتينيوم و الكربون (Pt/C). ووجدوا أنه عند إضافته إلى محللات PEM الكهربائية محفزًا، حسّن هذا الكاثود الأداء سامحًا لهم بإنتاج الهيدروجين من الماء غير النقي اعتماديًا دون تدهور سريع في حالتها عبر الزمن.
كتب وانج زيانج وزملاؤهما: «باستخدام أسلوب يجمع قطب كهربي فائق الصغر مع ميكروسكوب ماسح إلكتروكيميائي، ضبطنا حالات الرقم الهيدروجيني الموضعي في محلل PEM كهربي في مكانها، فوجدنا أنه بإمكان أكاسيد حمض برونستد أن تخفض هذا الرقم الهدروجيني الموضعي. وهكذا قدمنا أكسيد حمض برونستد MoO3-x في كاثود Pt/C لخلق بيئة ميكروية حمضية قوية تعزز كيناتيكا إنتاج الهيدروجين، يمنع الترسب على الكاثود ويوقف تلف الغشاء».
ربما تفتح هذه الدراسة إمكانات مثيرة بالنسبة إلى تصميم محللات PEM الكهربائية إذ يمكن أن تساعد على تقليل اعتمادها على الماء فائق النقاوة وذلك يجعلها أسهل في التوظيف في العالم الحقيقي.
في المستقبل، يمكن أن يبني مهندسو طاقة آخرين على اكتشافات الفريق لتطوير محللات PEM كهربائية أخرى بإمكانها فصل الماء غير النقي إلى هيدروجين على نحو اعتمادي.
المصادر:
الكاتب
وليد محمد عبد المنعم
