مركب من الكركمين وجزيئات الذهب النانوية ليكون مفتاحًا لخلايا الوقود الأكثر خضرة وكفاءة

(أخبار نانويرك): يحتوي الكركم ، وهو نوع من التوابل الموجودة في معظم المطابخ ، على خلاصة يمكن أن تؤدي إلى خلايا وقود أكثر أمانًا وفعالية.

باحثون في معهد كليمسون للمواد النانوية (CNI) ومعاونيهم من معهد سري ساتيا ساي للتعليم العالي (SSSIHL) في الهند اكتشفوا طريقة جديدة للجمع بين الكركمين – المادة الموجودة في الكركم – وجسيمات الذهب النانوية لإنشاء قطب كهربائي يتطلب طاقة أقل 100 مرة لتحويل الإيثانول بكفاءة إلى الكهرباء. ( نشرت دورية Nano Energy بحثا بعنوان “توليف أخضر لمركب نانوي مسامي جديد فائق الكفاءة من الذهب والكركمين من أجل أكسدة الكحول*”.

بينما يتعين على فريق البحث إجراء المزيد من الاختبارات، فإن هذا الاكتشاف يجعل استبدال الهيدروجين كمادة أولية لخلية الوقود قريبا. قال “أباراو راو” المدير المؤسس لـ( CNI) وأستاذ الفيزياء “ر.أ. بوين” في قسم الفيزياء وعلم الفلك بكلية العلوم “من بين جميع محفزات أكسدة الكحول في الوسط القلوي، المحفز الذي أعددناه هو الأفضل حتى الآن،”.

تتولد خلايا الوقود الكهرباء بواسطة تفاعل كيميائي بدلاً من الاحتراق. ويمكن استخدامها لتشغيل المركبات والمباني والأجهزة الإلكترونية المحمولة وأنظمة الطاقة الاحتياطية.

تتميز خلايا وقود الهيدروجين بكفاءة عالية ولا تنتج عنها انبعاثات غازية. في حين أن الهيدروجين هو العنصر الكيميائي الأكثر شيوعًا في الكون، إلا أنه يجب اشتقاقه من مواد مثل الغاز الطبيعي والوقود الأحفوري ﻷنها تتشكل مع عناصر أخرى موجودة طبيعيا في السوائل أو الغازات أو المواد الصلبة. الاستخراج اللازم له يضيف إلى خلايا وقود الهيدروجين التكلفة والأثر البيئي.

بالإضافة إلى ذلك، فإن الهيدروجين المستخدم في خلايا الوقود هو غاز مضغوط، مما يخلق تحديات للتخزين والنقل. بينما يعتبر الإيثانول -كحول يصنع من الذرة أو غيرها من الأعلاف الزراعية- الأكثر أمانًا والأسهل في النقل من الهيدروجين لكونه سائلا.

قال “لاكشمان فينترابراجادا”، وهو طالب سابق للبروفيسور “راو” عمل كمساعد باحث في (CNI) وتخرج من “SSSIHL”: “لجعله منتجًا تجاريًا حيث يمكننا ملء خزاناتنا بالإيثانول، يجب أن تكون الأقطاب الكهربائية عالية الكفاءة، في الوقت نفسه، لا نريد أقطابًا كهربائية باهظة الثمن أو ركائز بوليمرية اصطناعية غير صديقة للبيئة لأن ذلك يتعارض مع الغرض كُلََّه. أردنا أن ننظر إلى مادة خضراء لعملية توليد خلايا الوقود وصنع خلية الوقود نفسها “.

قال فينترابراجادا “ركز الباحثون على القطب “الأنود” لخلية الوقود، حيث يتأكسد الإيثانول أو أي مصدر آخر للتغذية. تستخدم خلايا الوقود البلاتين على نطاق واسع كعامل مساعد (المحفز). ولكن البلاتين يسبب التسمم نتيجة التفاعلات الوسيطة مثل أول أكسيد الكربون كما أنها مكلفة جدا”.

استخدم الباحثون الذهب كعامل مساعد. بدلاً من استخدام البوليمرات الموصلة أو الأطر المعدنية العضوية أو غيرها من المواد المعقدة بوضع الذهب على سطح القطب، ولقد استخدم الباحثون الكركمين بسبب تفرده الهيكلي. يستخدم الكركمين لتزيين جزيئات الذهب النانوية لتثبيتها، وتشكيل شبكة مسامية حول الجسيمات النانوية. قام الباحثون بترسيب جسيمات الذهب الكركمين النانوية على سطح القطب الكهربي بتيار كهربائي أقل 100 مرة مما كان عليه في الدراسات السابقة.

يقول فينترابراجادا أيضا “بدون طلاء الكركمين، تتكتل جزيئات الذهب النانوية، مما يقلل من مساحة السطح المعرضة للتفاعل الكيميائي. ويقول راو “بدون طلاء الكركمين هذا، يكون الأداء ضعيفًا، نحن بحاجة إلى هذا الطلاء لتحقيق الاستقرار وخلق بيئة مسامية حول الجسيمات النانوية، ومن ثم تقوم بعمل رائع عند تأكسد الكحول.

وأكمل راو “هناك تطور ملفت في الصناعة لأكسدة الكحول وهذا الاكتشاف هو عامل تمكين ممتاز لذلك. تتمثل الخطوة التالية في توسيع نطاق العملية والعمل مع متعاون صناعي يستطيع صنع خلايا الوقود وبناء أكوام من خلايا الوقود وتطبيقاته العملية المجدية تجاريا “.

ويقول فينترابراجادا أيضا “لكن البحث يمكن أن يكون له آثار أوسع من تحسين كفاءة خلايا الوقود بحيث يمكن أن تتناسب الخصائص الفريدة للأقطاب (لإلكترود) مع التطبيقات المستقبلية في أجهزة الاستشعار والمكثفات الفائقة وغير ها من اﻷجهزة.

يقول راو “بالتعاون مع فريق البحث في (SSSIHL) يقوم فريق راو باختبار القطب كجهاز استشعار يمكن أن يساعد في تحديد التغيرات في مستوى الدوبامين. الدوبامين له دور في بعض الاضطرابات مثل مرض الباركنسون واضطرابات نقص الانتباه وفرط الحركة. عندما اختبر أعضاء فريق البحث عينات البول التي تم الحصول عليها من متطوعين أصحاء، أمكنهم قياس الدوبامين سريريا باعتماد على هذا القطب باستخدام طريقة فعالة من حيث التكلفة مقارنة بتلك المستخدمة اليوم.

ويستكمل فينترابراجادا حديثه “في المراحل الأولى من المشروع، لم نتخيل تطبيقات أخرى يمكن أن يدعمها الكركمين المطلي بالذهب. ومع ذلك، قبل نهاية تجارب أكسدة الكحول، كنا على ثقة تامة من أن التطبيقات الأخرى ممكنة. مع أنّ أننا لا نملك فهمًا كاملاً لما يحدث على المستوى الذري، فنحن نعلم على وجه اليقين أن الكركمين يعمل على تثبيت جزيئات الذهب النانوية بطريقة يمكن أن تصلح لتطبيقات أخرى “.

المصدر: جامعة كليمسون – الترجمة: نادي نانو – رابط المقال اﻷصلي: https://www.nanowerk.com/nanotechnology-news2/newsid=60400.php

الهوامش:

*Green synthesis of a novel porous gold-curcumin nanocomposite for super-efficient alcohol oxidation