علماء كوريون جنوبيون يطورون أقطاب نيكل وكوبالت منخفضة التكلفة لتعزيز كفاءة إنتاج الهيدروجين الأخضر

طور علماء كوريون جنوبيون مكونًا جديدًا منخفض التكلفة لإنتاج الهيدروجين الأخضر من الماء والطاقة. وقد طورت المعهد الكوري للطاقة (KIER) قطب نيكل وكوبالت خالٍ من البلاتين، قادر على إجراء التحليل الكهربائي للماء القلوي بشكل فعال. هذه الأقطاب غير الثمينة من نوع Ni/Co تعزز أداء التحليل الكهربائي للماء القلوي وتقلل من التكاليف. هذا التقدم لديه القدرة على إزالة العقبات الاقتصادية الرئيسية أمام توسيع الطاقة الخضراء عالميًا. قال الدكتور كيم كيونغ سو، الباحث الرئيسي في KIER: "تظهر هذه الدراسة أن الأقطاب غير الثمينة يمكن أن تحقق أداءً عالمي المستوى ومتانة في التحليل الكهربائي للماء القلوي."

تكمن أهمية خفض تكلفة الهيدروجين في بساطة التحليل الكهربائي للماء. من خلال تطبيق تيار كهربائي على الماء، يتم تقسيم جزيئات الماء، وجمع الهيدروجين النقي، مما يحقق انبعاثات كربونية صفرية. ومع ذلك، في الواقع، وخاصة في الأنظمة القلوية الكبيرة، تكون سرعة التفاعل بطيئة. في الظروف القلوية، يستغرق تقسيم جزيئات الماء وقتًا يزيد عن 100 مرة مقارنةً بالبيئة الحمضية. لتسريع التفاعل، تستخدم خلايا التحليل الكهربائي الصناعية عادةً المعادن الثمينة. يبلغ سعر البلاتين حوالي 58 دولارًا أمريكيًا لكل غرام (حوالي 452 دولارًا هونغ كونغ)، بينما يبلغ سعر الروثينيوم حوالي 54 دولارًا أمريكيًا لكل غرام (حوالي 421 دولارًا هونغ كونغ). بالنظر إلى حجم المصنع، يجعل ذلك الإنتاج الضخم غير مجدٍ اقتصاديًا. قرر فريق KIER في النهاية التخلي تمامًا عن البلاتين، واستخدام النيكل والكوبالت بدلاً من ذلك، بسعر 0.02 دولار أمريكي لكل غرام (حوالي 0 دولار هونغ كونغ) و0.05 دولار أمريكي لكل غرام (حوالي 0 دولار هونغ كونغ) على التوالي.

المزايا التقنية للقطب الجديد

كيف تتفوق المعادن الرخيصة على البلاتين؟ يعود ذلك إلى هيكلها الذكي. أنشأ الفريق هيكلًا ثنائي المكونات، حيث تم دمج أكسيد النيكل وسبائك النيكل والكوبالت على نفس سطح القطب. كل مكون يتعامل مع مراحل مختلفة من التفاعل. يعمل أكسيد النيكل كعامل حفاز كيميائي، حيث يقوم بسرعة بتقسيم جزيئات الماء في الخطوة الأولية البطيئة، بينما تستخدم سبائك Ni-Co لدمج أيونات الهيدروجين المحررة في غاز وقود قابل للاستخدام.

تظهر نتائج الأداء إمكانيات هذه التقنية. حقق القطب إنتاجًا متساويًا من الهيدروجين عند جهد زائد قدره 22.7 مللي فولت، وهو حوالي 40% من 56.5 مللي فولت المطلوبة في أنظمة البلاتين التجارية. أشار الباحثون إلى أن "القطب المطور يوفر إنتاجًا متساويًا من الهيدروجين عند جهد زائد يبلغ حوالي 40%، مما يظهر أداءً متميزًا بين الأقطاب القلوية غير الثمينة التي تم الإبلاغ عنها في السنوات الثلاث الماضية." العديد من الابتكارات في المختبر تفشل في اختبارات الشبكة الفعلية، حيث تواجه المعدات دورات تشغيل صارمة بسبب تقلبات الطاقة الشمسية وطاقة الرياح. صمم فريق KIER هذا القطب الجديد لمقاومة هذه الظروف غير المتوقعة.

في اختبار وحدة يبلغ 8.7 سم، خفض هذا القطب جهد البطارية بنسبة 11% مقارنةً ببطارية النيكل القياسية. حتى بعد 600 دورة من إجهاد التشغيل المتواصل، لم تفقد الأداء.

إمكانات التجارية المستقبلية

في المستقبل، قد يعمل هذا القطب مع محطات الطاقة الشمسية وطاقة الرياح غير المستقرة. تجاوز الفريق مرحلة المختبر. كشف الدكتور لي هيو جين، المشارك في القيادة، أن الفريق قد صنع أقطابًا كبيرة بقطر 40 سم، وهم يعملون على تحسين عملية التصنيع للإنتاج التجاري. الهدف النهائي هو توسيع مساحة سطح القطب إلى 5,000 سم مربع، لدمجه مباشرة في مصانع صناعية بقدرة ميغاوات. إذا تم النجاح في التوسع، فقد يحل ذلك في النهاية مشكلة الضرائب المفروضة على المعادن الثمينة في إنتاج الهيدروجين. تم نشر نتائج هذه الدراسة في مجلة Advanced Science.

تأثير الأقطاب الخالية من البلاتين على إنتاج الهيدروجين

يمثل تطوير هذا القطب الجديد الخالي من البلاتين من النيكل والكوبالت اختراقًا مهمًا في تقنية إنتاج الهيدروجين. تقليديًا، يعتمد إنتاج الهيدروجين على عوامل حفازة باهظة الثمن، مما يحد من جدواه الاقتصادية. من خلال استخدام معادن أرخص، لا تقلل هذه التقنية من تكاليف الإنتاج فحسب، بل تعزز أيضًا من إنتاجية وكفاءة الهيدروجين. مع انتشار الطاقة المتجددة، فإن تطبيق هذا القطب الجديد يحمل إمكانيات كبيرة، مما يعزز الاستخدام الواسع للهيدروجين الأخضر ويدفع التحول العالمي في الطاقة.