اكتشاف نمساوي: طبقة بلاتين رقيقة يمكن أن تقلل استخدام المعادن في معدات الهيدروجين بنسبة 88%

اكتشف باحثون في جامعة فيينا للتكنولوجيا في النمسا أن استخدام طبقة بلاتين أرق يمكن أن يحمي بفعالية المكونات المستخدمة في إنتاج الهيدروجين. ولدى هذا الاكتشاف إمكانية تقليل كمية المعادن الثمينة المطلوبة لهذه الطبقات الواقية بنحو 88%. وقد فحصت الدراسة ألواحًا ثنائية القطب من التيتانيوم مطلية بالبلاتين تُستخدم في التحليل الكهربائي للماء باستخدام غشاء تبادل البروتون (PEM). وفي ظل ظروف الدراسة، ظل الطلاء بسماكة 24 نانومتر سليمًا إلى حد كبير، وحافظ على موصلية كهربائية جيدة بعد التعرض للإجهاد الكهروكيميائي. وتشير هذه النتائج إلى مسار محتمل لخفض تكاليف المعدات. ومع ذلك، حذر الباحثون من أن السماكة المثلى تعتمد على عدة عوامل، منها طريقة تصنيع الطلاء وتجانس تغطيته للسطح. لماذا تحتاج معدات الهيدروجين إلى البلاتين؟ يستخدم التحليل الكهربائي للمعادن الكهرباء لتفكيك الماء إلى هيدروجين وأكسجين. على أحد الأقطاب الكهربائية، تنتج العملية أيونات هيدروجين موجبة الشحنة (بروتونات) وإلكترونات إلى جانب الأكسجين. تعبر البروتونات عبر الغشاء لتصل إلى القطب الثاني، حيث تتحد مع الإلكترونات لتكوين الهيدروجين. إن الحفاظ على تشغيل المعدات في هذه البيئة أصعب مما يتوقعه التفاعل الأساسي. وقال هيلموت ريدل-ترايننرايف (Helmut Riedl-Tragenreif) من معهد علوم وتكنولوجيا المواد في جامعة فيينا للتكنولوجيا: "تخلق عملية التحليل الكهربائي بيئة كيميائية ضارة للعديد من المكونات المعدنية. فقد تذوب المعادن، وفي الوقت نفسه قد تتشكل طبقات أكسيد تعيق تدفق التيار."

احتياجات معدات الهيدروجين من البلاتين

قال: "إذا كان النظام سيعمل لفترات طويلة، فيجب مطابقة المكونات الفردية بعناية. تلعب الألواح الثنائية القطب دورًا مهمًا بشكل خاص هنا، حيث تمثل ما يصل إلى 30% من إجمالي تكلفة النظام." لا تدعم هذه الألواح المعدات ميكانيكيًا فحسب، بل تنقل التيار الكهربائي أيضًا، وتساعد في نقل الماء والغازات. ويتمتع التيتانيوم بمقاومة جيدة للتآكل، لكن سطحه يشكل طبقة أكسيد تعيق تدفق التيار. وتحل طبقة البلاتين الرقيقة هذه المشكلة، حيث تحمي التيتانيوم وتنقل التيار بفعالية في الوقت نفسه. نجت الطبقة الرقيقة في الاختبارات. حقق فريق جامعة فيينا للتكنولوجيا بشكل منهجي في السماكة التي تحتاجها هذه الطبقة الواقية.

نتائج اختبار طبقة البلاتين الرقيقة

أظهرت الاختبارات أن الطلاء بسماكة 24 نانومتر كان كافيًا في ظل الظروف المختبرة، بينما أظهر الطلاء بسماكة 8 نانومتر مشاكل واضحة. وبالمقارنة مع طلاء بسماكة 200 نانومتر المستخدم حاليًا في الصناعة، يمثل الطلاء الرقيق الناجح إمكانية تقليل استهلاك البلاتين بنحو 88%. كما فحص الباحثون تحمل هذه الطلاءات بعد التعرض للإجهاد الكهروكيميائي، وليس تقييم أدائها الأولي فحسب. وقال: "استخدمنا طرقًا عالية الدقة لتحليل الطلاء قبل وبعد الإجهاد الكهروكيميائي. ومن الأسئلة المهمة بشكل خاص ما إذا كانت عيوب مجهرية ستظهر في الطلاء."

أشار ريدل-ترايننرايف. قد تسرع العيوب الصغيرة من التلف. فقد تعرض العيوب في طبقة البلاتين التيتانيوم تحتها للهجوم. يتأكسد التيتانيوم، وقد تتشكل فقاعات أكسجين صغيرة عند السطح الفاصل، مما يولد إجهادًا ميكانيكيًا يضر بالطلاء بشكل أكبر. ومع تقشر مناطق أكبر، يتعرض المزيد من التيتانيوم، ويتسارع التلف. وأظهر الطلاء بسماكة 8 نانومتر علامات واضحة على هذه العملية. وبعد التعرض للإجهاد الكهروكيميائي، لاحظ الباحثون عيوبًا أكبر، ووجدوا زيادة كبيرة في عدد أيونات التيتانيوم والبلاتين التي دخلت المحلول الكهربائي. أما الطلاء بسماكة 24 نانومتر، فقد ظل سليمًا إلى حد كبير في ظل الظروف المدروسة، وحافظ على موصلية جيدة، وأبقى إطلاق أيونات المعادن عند مستوى منخفض جدًا.

تأثير طبقة البلاتين الرقيقة على إنتاج الهيدروجين

في عملية إنتاج الهيدروجين، يؤثر استخدام البلاتين بشكل كبير على التكلفة. وتظهر الدراسة أن طبقة البلاتين الرقيقة يمكن أن تقلل بفعالية الحاجة إلى المعادن الثمينة، وهذا لا يقلل تكاليف الإنتاج فحسب، بل يعزز أيضًا متانة المعدات. ويُعد تصميم الألواح الثنائية القطب واختيار المواد أمرًا حاسمًا لأداء النظام ككل، خاصة عند مواجهة تحديات التآكل الكيميائي. وقد تعزز نتائج هذا البحث تسويق تكنولوجيا الهيدروجين، وتدفع نحو حلول طاقة أكثر استدامة.