آليات جديدة لتحسين النشاط على المحفزات ثنائية المعدن لتوليد الهيدروجين وخلايا الوقود – ترجمة* محمد جواد آل السيد ناصر الخضراوي

New mechanisms of activity improvement on bimetallic catalysts for hydrogen generation and fuel cells
(Hong Kong University of Science and Technology – جامعة هونغ كونغ للعلوم والتكنولوجيا)

ملخص المقالة:

كشف باحثو جامعة هونغ كونغ للعلوم والتكنولوجيا وجامعة شيامن الصينية عن مفاهيم جديدة لكيفية قيام ذرات الروثينيوم السطحية بتحسين تطور توليد الهيدروجين وأنشطة أكسدة البلاتين. ويفتح هذا الاكتشاف مكانًا جديدًا للتصميم العقلاني لمحفزات أكثر تقدمًا لتطبيقات المحلل الكهربائي وخلايا الوقود.

( المقالة )

كشفت مجموعة من الباحثين في جامعة هونغ كونغ للعلوم والتكنولوجيا (HKUST) وجامعة شيامن الصينية (Xiamen University) عن مفاهيم جديدة لكيفية قيام ذرات الروثينيوم السطحية بتحسين تطور إنتاج الهيدروجين وأنشطة أكسدة البلاتين. ويفتح هذا الاكتشاف مكانًا جديدًا للتصميم العقلاني لمحفزات أكثر تقدمًا لتطبيقات المحلل الكهربائي وخلايا الوقود.

والهيدروجين هو ناقل للطاقة النظيفة ولا يحتوي على الكربون. ويُعتقد أنه يلعب دورًا أساسيًا في مجتمعنا المستدام في المستقبل. ويمكن إنتاج الهيدروجين من الماء عبر تفاعل تطور الهيدروجين (HER) في محلل كهربي باستخدام الطاقات المتجددة، واستهلاكه عبر تفاعل أكسدة الهيدروجين (HOR) في خلية وقود لتوليد الكهرباء. ولسوء الحظ، فإن هذين التفاعلين معروفان جيدًا أنهما بطيئان حركيًا في الوسائط القلوية، حتى على محفزات البلاتين الأكثر نشاطًا. وتحد معدلات التفاعل البطيء من كفاءة هذين الجهازين الكهروكيميائيين وتعيق اعتمادهما على نطاق واسع. فمن المعروف أن معدلات تفاعل تطور الهيدروجين / تفاعل أكسدة الهيدروجين على البلاتين يمكن تحسينه عن طريق تعديل السطح أو التسبيك مع الروثينيوم. ومع ذلك، كانت آليات هذا الترويج قيد المناقشة لعقود كثيرة. وجزء من الأسباب هو عدم وجود مراقبة مباشرة لسلوكيات ذرات الهيدروجين على أسطح المحفزات.

وللكشف عن لغز أنشطة تفاعل تطور الهيدروجين / تفاعل أكسدة الهيدروجين العالية على المحفزات ثنائية المعدن من البلاتين والروثينيوم، قام فريق بحث بقيادة البروفيسور مينهوا شاو، من قسم الهندسة الكيميائية والبيولوجية ومعهد الطاقة في جامعة هونغ كونغ للعلوم والتكنولوجيا، مؤخرًا بتطبيق التحليل الطيفي القوي لامتصاص الأشعة تحت الحمراء، للمراقبة المباشرة لقوة الارتباط لوسط التفاعل المهم، ذرات الهيدروجين على الأسطح المختلفة. ومن خلال الدراسات الكهروكيميائية والطيفية والنظرية مجتمعة، أكدوا أن ذرات الروثينيوم السطحية التي تتفاعل مع البلاتين تحت السطح هي واحدة من حيث الحجم أكثر نشاطًا من البلاتين، أي أن الروثينيوم بدلاً من ذرات البلاتين هي مواقع نشطة رئيسية في هذا النظام.

وقال البروفيسور شاو: “استخدمت الأعمال السابقة بشكل أساسي تقنيات الكهروكيميائية والتوصيف التقليدية، والتي لا يمكنها مراقبة سلوك الامتصاص لوسائط تفاعل الهيدروجين مباشرة. وفي هذا العمل، نستخدم مطيافية امتصاص الأشعة تحت الحمراء القوية المعززة على السطح، والتي تعد من بين التقنيات القليلة جدًا التي يمكن أن ترى بشكل مباشر ذرات الهيدروجين السطحية، وتوفر لنا معلومات أكثر وضوحًا حول كيفية تحسين الروثينيوم للنشاط”. وأضاف: “يستبعد هذا العمل النظرية الأكثر انتشارًا بأن التأثير ثنائي الوظيفة على الواجهة بين البلاتين والروثينيوم هو سبب زيادة الأنشطة، ويفتح اتجاهات جديدة بشأن التصميم المستقبلي لمحفزات تفاعل تطور الهيدروجين / تفاعل أكسدة الهيدروجين الأكثر تقدمًا، والتي يمكن بالتالي تقليل استخدام المعادن الثمينة في كل من المحلل الكهربائي للماء وخلايا وقود الهيدروجين”.

وهذا العمل هو جزء من مشروع صندوق البحوث التعاونية الذي تم تأسيسه حديثًا بقيادة البروفيسور شاو تحت اسم “تطوير خلايا وقود غشائية قلوية عالية الأداء وطويلة العمر”، ويشكل قسمًا فرعيًا مهمًا من الأبحاث الأساسية لهذا المشروع بأكمله. ويجري العمل على تطوير محفزات كهربائية عملية وعالية الأداء من ثنائي معدن البلاتين- الرثيوم بناء على هذه النتائج.

وقد نُشرت هذه الدراسة مؤخرًا في نشرة “تحفيز الطبيعة” (Nature Catalysis) بعنوان: “دور الروثينيوم في تحسين حركية أكسدة الهيدروجين وتفاعلات تطور البلاتين”.

 *تمت الترجمة بتصرف

المصدر: 

https://phys.org/news/2021-08-mechanisms-bimetallic-catalysts-hydrogen-fuel.html

لمزيد من المعلومات:  The role of ruthenium in improving the kinetics of hydrogen oxidation and evolution reactions of platinum, Nature Catalysis (2021). DOI: 10.1038/s41929-021-00663-5 , www.nature.com/articles/s41929-021-00663-5