تطوير محفزات نانوية للتغلب على قيود تقنية تحليل الماء الكهربائي

إن انتاج الهيدروجين الأخضر يعتمد على تقنية تحليل الماء الكهربائي عن طريق استخدام الكهرباء التي يتم انتاجها عن طريق الطاقة المتجددة و التي تقوم بتفكيك الماء إلى هيدروجين وأكسجين دون انبعاث ثاني أكسيد الكربون. ولكن، إن تكلفة إنتاج الهيدروجين الأخضر حاليًا تتراوح حوالي 5 دولارات للكيلوغرام، وهو ضعف إلى ثلاث مرات أعلى من الهيدروجين الرمادي الناتج من الغاز الطبيعي. لاستخدام الهيدروجين الأخضر عمليًا، يلزم ابتكار تقنية تحليل الماء الكهربائي تنافسية.

البحث

قام فريق البحث بقيادة الدكتور كيونغ جونج يون في مركز بحوث مواد الطاقة في معهد العلوم والتكنولوجيا الكوري بتطوير محفزًا نانويًا لتحليل الماء عند درجات حرارة عالية يمكنه الاحتفاظ بكثافة تيار عالية تزيد عن 1 أمبير/سم2 لفترة طويلة عند درجات حرارة تتجاوز 600 درجة. في حين كانت آليات التدهور للمواد النانوية عند درجات حرارة عالية غامضة حتى الآن، قام الفريق بتحديد الأسباب الأساسية للسلوك الغير طبيعي للمواد النانوية وحل المشاكل بنجاح، مما أدى في النهاية إلى تحسين الأداء والاستقرار في خلايا تحليل الماء.

تقنية تحليل الماء الكهربائي يمكن تصنيفها إلى تحليل الكهرباء عند درجات حرارة منخفضة وعالية. في حين تم تطوير تحليل الكهرباء عند درجات حرارة منخفضة التي تعمل عند درجات حرارة دون 100 درجة مئوية منذ وقت طويل وهي تكنولوجيا أكثر نضجًا تقنيا، يقدم تحليل الكهرباء عند درجات حرارة عالية التي تعمل فوق 600 درجة مئوية كفاءة أعلى وتعتبر تكنولوجيا بإمكانيات قوية لخفض التكاليف بشكل أكبر.

ومع ذلك، عانت هذه التقنية بنقص الاستقرار الحراري وعمر الخدمة غير الكافي بسبب التدهور عند درجات حرارة عالية، مثل التآكل والانحناء الهيكلي. على وجه الخصوص، تتدهور المحفزات النانوية التي تُستخدم على نطاق واسع لتحسين أداء محللات الماء عند درجات حرارة منخفضة بسرعة عند العمل عند درجات حرارة تشغيل عالية، مما يجعل من الصعب استخدامها بشكل فعال لتحليل الماء عند درجات حرارة عالية.

للتغلب على هذا القيد، قام الفريق بتطوير تقنيات جديدة في تصنيع المحفزات النانوية تقمع تكوين المركبات الضارة المسببة للتدهور عند درجات حرارة عالية. ومن خلال تحليل الظواهر على نطاق النانو باستخدام الميكروسكوب الإلكتروني النقلي، تمكن الباحثون من تحديد المواد النوعية المسببة لتغيرات هيكلية شديدة، مثل كربونات السترونتيوم وأكسيد الكوبالت، ونجحوا في إزالتها بنجاح لتحقيق محفزات نانوية مستقرة للغاية من حيث الخصائص الكيميائية والفيزيائية.

عندما قام الفريق بتطبيق المحفز النانوي على خلية تحليل الماء عند درجات حرارة عالية، فإنه زاد بأكثر من ضعف معدل إنتاج الهيدروجين وعمل لأكثر من 400 ساعة عند 650 درجة دون تدهور. تم تطبيق هذه التقنية أيضًا بنجاح على خلية تحليل الماء على مساحة كبيرة، مما يؤكد إمكانيتها القوية للتوسع والاستخدام التجاري.

الدكتور كيونغجونج يون من معهد العلوم والتكنولوجيا الكوري أكد أن المواد النانوية الجديدة التي طورها فريقه حققت أداءً واستقرارًا عاليين لتقنية تحليل الماء عند درجات حرارة عالية، ويمكن أن تساهم في خفض تكلفة إنتاج الهيدروجين الأخضر، مما يجعله منافسًا اقتصاديًا مع الهيدروجين الرمادي في المستقبل.

أبرزالنقاط

١) المحفز النانوي المبتكر يحسن بشكل كبير تقنية تحليل الماء عند درجات حرارة عالية لإنتاج الهيدروجين.

٢) التقنية المحسّنة تزيد أكثر من ضعف إنتاج الهيدروجين وتعمل بكفاءة عند 650 درجة مئوية.

٣) الأسلوب الجديد يقدم كفاءة واستقرارًا أكبر، مع معالجة القيود السابقة في تحليل الماء عند درجات حرارة عالية.

٤) إمكانية تقليل تكاليف إنتاج الهيدروجين الأخضر، مما يجعله منافسًا مع الأساليب التقليدية.

٥) التقدم يشكل خطوة كبيرة نحو تجارة الطاقة من الهيدروجين الأخضر.