علوم القطيف مقالات علمية في شتى المجالات العلمية
New catalyst helps combine fuel cell, battery into one device
(Brandie Jefferson – بقلم: براندي جيفرسون)
ملخص المقالة:
وجد باحثون من جامعة واشنطن بمدينة سانت لويس محفزا ممتازا ثنائي الوظيفة لقطب الأكسجين ذا كفاءة طاقة عالية، يمَكِّن جهازًا واحدًا من توليد الوقود والمؤَكِسد من الماء، وعندما ينقلب المفتاح الكهربائي، يحول الوقود والأكسجين إلى كهرباء ومياه، عبر تطوير خلايا الوقود المتجددة الموحدة الفعالة، التي تحتاج الى محفزات ثنائية الوظائف. وطور الفريق پلاتين-بيروكلور، وهو مركب من البلاتين وروثينات الرصاص والبيروكلور، الذي قاد الى ثنائية الوظيفية العالية. ويمكن استخدام خلايا الوقود التجديدية الموحدة مناسبة تماما لتطبيقات مثل الغواصات والطائرات بدون طيار والمركبات الفضائية والمحطات الفضائية، وكذلك في تخزين الطاقة خارج الشبكة.
( المقالة )
جهاز واحد يولد الوقود والمؤَكِسد من الماء، وعندما ينقلب المفتاح الكهربائي، يحول الوقود والأكسجين إلى كهرباء ومياه، وله مجموعة من الفوائد للتطبيقات الأرضية والفضائية والعسكرية. ومن التأثير البيئي المنخفض إلى طاقة ذات كثافة عالية، كان تطوير خلايا الوقود المتجددة الموحدة الفعالة، أو خلايا الوقود التجديدية الموحدة كما يطلق عليها، في مشهد الباحثين لسنوات حتى الآن.
ولكن لكي تكون فعالة حقا، تحتاج خلايا الوقود التجديدية الموحدة إلى محفزات ثنائية الوظائف. وهذا يعني أنه في وضع التحليل الكهربائي، ينبغي أن تسهل المواد الحفازة تجزيء المياه إلى الهيدروجين والأكسجين، وفي وضع خلايا الوقود، تسهل إعادة تركيبها الى ماء. الآن، وجد فريق من الباحثين العاملين في مختبر البروفيسور فيجاي راماني (أستاذ “روما ب. و ريموند اتش ويتكوف” الجامعي المتميز [١]) محفزا ممتازا ثنائي الوظيفة لقطب الأكسجين.
ونشرت أعمالهم في مجلة “وقائع الأكاديمية الوطنية للعلوم” (Proceedings of the National Academy of Sciences).
وقال برالاي غايين، المؤلف الأول للورقة العلمية، الذي يعمل حاليا في شركة إنتل، وكان باحثا مشاركا لما بعد الدكتوراه في مختبر راماني في كلية ماكيلفي للهندسة في جامعة واشنطن في سانت لويس: “على عكس قطب الهيدروجين، حيث يكون البلاتين محفزا فعالا ثنائي الوظيفة، من الصعب للغاية تحديد محفز مناسب لقطب الأكسجين بسبب الحركية البطيئة للحد من الأكسجين وتطور الأكسجين”.
واسترشد سولاي ساها، وهو باحث مشارك في مرحلة ما بعد الدكتوراه في مختبر راماني وأبحاث غاين، بالمبادئ الأولى – مع مراعاة الخصائص الأساسية للمواد المختلفة قبل التوجه إلى المختبر لاختبار المحفزات المحتملة.
وجنبا إلى جنب مع الباحث الجامعي السابق والمؤلف المشارك اكسينكوان ليو، حدد الفريق في نهاية المطاف وطوَّر پلاتين-بيروكلور (Pt-Pyrochlore)، وهو مركب من البلاتين وروثينات الرصاص (lead ruthenate – Pb2Ru2O6.5) والبيروكلور، الذي قاد الى ثنائية الوظيفية العالية.
إن “مؤشر ثنائية الوظيفية” هو مقياس لقدرة المحفز على تسهيل كل من الاتجاه الأمامي والعكسي للتفاعل. وقالت كريتيكا شارما، طالبة دكتوراه في الهندسة: “نريد أن يكون المؤشر منخفضا. صفر، من الناحية المثالية”. ويحتوي هذا المحفز الجديد على مؤشر ثنائي الوظيفية يبلغ 0.56 فولت – منخفض جدا مقارنة بالمحفزات الأخرى المعروفة. وعند استخدامه في جهاز خلايا الوقود التجديدية الموحدة الذي طوره المختبر، مَكَّن المحفز من تحقيق كفاءة في استخدام الطاقة ذهابا وإيابا بنسبة 75 في المائة – وهي أعلى كفاءة ذهابا وإيابا تم الإبلاغ عنها في هذا النوع من خلايا الوقود التجديدية الموحدة.
وبهذه الكفاءة العالية، فإن خلايا الوقود التجديدية الموحدة مناسبة تماما لتطبيقات مثل الغواصات والطائرات بدون طيار والمركبات الفضائية والمحطات الفضائية، وكذلك في تخزين الطاقة خارج الشبكة.
*تمت الترجمة بتصرف
المصدر:
https://phys.org/news/2021-10-catalyst-combine-fuel-cell-battery.html
لمزيد من المعلومات: ڤيجاي راماني وآخرون، High-performance AEM unitized regenerative fuel cell using Pt-pyrochlore as bifunctional oxygen electrocatalyst, PNAS, DOI: 10.1073/pnas.2107205118 , www.pnas.org/content/118/40/e2107205118
الهوامش:
[١] ريمون اتش. “راي” ويتكوف، هو وصي فخري على جامعة واشنطن في سانت لويس وعضو المجلس الوطني لكلية الطب منذ عام 2005 ، وقد توفي في يوم الثلاثاء 2 يناير 2018 في منزله في مدينة فينيكس بولاية اريزونا، وكان عمره 96 عاما. وكان هو وزوجته روما، وهي أيضا وصي فخري وعضو في المجلس الوطني لكلية الطب، مؤيدين لجامعة واشنطن منذ فترة طويلة، حيث قدموا بسخاء وقتهم وخبرتهم ومواردهم. وساعدت عائلة ويتكوف في تمويل مشاريع بناء الجامعات ومبادرات البرامج والمنح الدراسية والأستاذية. وحصلا على جائزة “روبرت س. بروكينغز” الممنوحة من جامعة واشنطن في يوم المؤسسين في عام 1993 ، وجائزة القرن الثاني لكلية الطب في عام 1995. وفي عام 2008، التزمت عائلة ويتكوف بجعل استاذية “روما ب. وريمون إتش ويتكوف” المتميزة في البيئة والطاقة ممكنة في جامعة واشنطن، وهو لقب يحمله البروفيسور فيجاي راماني من كلية الهندسة والعلوم التطبيقية. المصدر: https://source.wustl.edu/2018/01/obituary-raymond-h-wittcoff-emeritus-trustee-benefactor-96/