تخفيض استخدام المعادن الثمينة في إنتاج الهيدروجين الأخضر بفضل محفزات جديدة، واستقرار التشغيل يصل إلى 300 ساعة

طور باحثون في مدينة براغا البرتغالية محفزًا جديدًا قد يقلل من كمية المعادن الثمينة المطلوبة لإنتاج الهيدروجين الأخضر. تتجاوز أداء هذه المادة المعايير التجارية، رغم أن محتواها من المعادن الثمينة لا يتجاوز نصف المعايير. قام فريق من المختبر الدولي للتقنيات النانوية في إيبيريا (INL) بدمج البلاتين والنيكل والروديوم في سبيكة مصممة خصيصًا لعملية التحليل الكهربائي للماء باستخدام أغشية تبادل البروتون (PEMWE). يشير التقرير البحثي إلى أن وقت التشغيل المستقر للجهاز عند درجة حرارة 60 °C (140°F) تجاوز 300 ساعة. هذه الاكتشافات تعالج أحد التحديات التي تواجه خلايا التحليل الكهربائي، وهو تقليل الاعتماد على المواد باهظة الثمن مع الحفاظ على الأداء.

أداء المحفز يتجاوز المعايير

تستخدم تقنية PEMWE الكهرباء لتفكيك الماء إلى هيدروجين وأكسجين. تحت قيادة الطاقة المتجددة، توفر هذه التقنية مسارًا لإنتاج الهيدروجين الأخضر. ومع ذلك، تعتمد تفاعلات إنتاج الهيدروجين في الكاثود بشكل كبير على المعادن النادرة من مجموعة البلاتين. استخدم فريق Kolen’ko في INL مفاعل تدفق مستمر لإنتاج جزيئات نانوية من سبيكة البلاتين-النيكل-الروديوم. يبلغ قطر هذه الجزيئات 1.5 نانومتر فقط، وتم تثبيتها بشكل متساوٍ على جرافين غني بالعيوب. يحتوي المحفز على 20.5% من المعادن الثمينة، مقارنةً بمحتوى 40% من البلاتين في المعايير التجارية، مما يظهر مزايا ملحوظة.

على الرغم من انخفاض محتوى المعادن الثمينة، إلا أن أداؤه لا يزال يتجاوز المعايير في عدة قياسات.

في جهاز PEMWE أحادي الخلية، حقق هذا المحفز كثافة تيار تبلغ 1.0 أمبير لكل سنتيمتر مربع عند 1.6 فولت. سلوك تشغيل المحفز مهم جدًا لأدائه. في البداية، تغطي أنواع أكسيد النيكل سطح الجزيئات. بعد التحفيز الكاثودي، يتم اختزال هذه الأكسيدات، مما يكشف عن سطح السبيكة المعدنية. قال المؤلف المراسل لهذه الدراسة Sitaramanjaneya Mouli Thalluri: "لم يتدهور المحفز، بل تم تنشيطه، وهذا يتعارض مع الحدس، وهو بالضبط ما تحتاجه لتشغيل طويل الأمد." أكدت الأشعة السينية المتزامنة أن إعادة تشكيل السطح كانت مدفوعة بالكهرباء الكيميائية.

عند درجة حرارة 60 °C (140°F) وهي درجة حرارة تشغيل صناعية نموذجية، حافظت الوحدة على جهد مستقر لأكثر من 300 ساعة. بالمقابل، شهدت المعايير التجارية تدهورًا مستمرًا في الأداء خلال فترة الاختبار.

إمكانات عملية إنتاج السبيكة

تشير هذه النتائج إلى أن التغيرات السطحية في السبيكة يمكن أن تدعم النشاط المستمر، مما يحل صعوبة تحسين الأداء التحفيزي دون المساس بالاستقرار. كما أكد الباحثون على إمكانيات عملية الإنتاج. يعد دمج المعادن ذات إمكانيات الاختزال المختلفة بشكل كبير تحديًا، حيث يجب تنسيق تشكيلها لإنتاج السبيكة المتوقعة. قال المؤلف المراسل Srinivas Katam: "إن التوليف في تدفق مستمر هو ما يغير قواعد اللعبة هنا." أشار الفريق إلى أن هذا المفاعل يزامن نوى المعادن، مما يوفر مسارًا للإنتاج على نطاق واسع.

قال Dr. Yury V. Kolen’ko، رئيس فريق Kolen’ko في INL: "تثبت هذه الدراسة أن سبائك الانتروبيوم يمكن أن تتغلب على التوازن التقليدي بين النشاط والاستقرار عند إنتاجها عبر التوليف في تدفق مستمر." كما لاحظ الباحثون أن هذه التقنية لديها تطبيقات محتملة خارج إنتاج الهيدروجين، بما في ذلك تقنيات تحويل الطاقة الكهربائية الأخرى. حصلت هذه الدراسة على تمويل من خطة الانتعاش والمرونة البرتغالية (PRR) في إطار الجيل التالي من الاتحاد الأوروبي، من خلال اتفاقية الابتكار Moving2Neutrality.

تؤسس نتائج الخلية الواحدة الأساس لتطوير أنظمة التحليل الكهربائي الكبيرة، حيث لا يزال تقليل الحاجة إلى المعادن الثمينة والحفاظ على المتانة من الأهداف الرئيسية. تم نشر هذه الدراسة في مجلة Chemical Engineering Journal.

أثر المحفز الجديد على إنتاج الهيدروجين الأخضر

مع تزايد الطلب على الطاقة المتجددة، أصبح إنتاج الهيدروجين الأخضر مجالًا بحثيًا مهمًا. إن تطوير هذا المحفز الجديد لا يقلل فقط من الاعتماد على المعادن الثمينة النادرة، بل يحقق أيضًا مستويات جديدة من الاستقرار والأداء. وهذا له أهمية كبيرة لمستقبل الإنتاج الضخم للهيدروجين الأخضر، حيث يمكن أن يقلل من تكاليف الإنتاج ويزيد من الكفاءة. علاوة على ذلك، قد تمتد التطبيقات المحتملة لهذه التقنية إلى تقنيات تحويل الطاقة الكهربائية الأخرى، مما يعزز تطوير الطاقة المستدامة.