الباحثون يأخذون خطوة أساسية نحو إنتاج أنظف وأكثر استدامة للهيدروجين – ترجمة* محمد جواد آل السيد ناصر الخضراوي

Researchers take key step toward cleaner, more sustainable production of hydrogen
(بواسطة: ستيف لونديبرغ – Steve Lundeberg)

توظف المجموعات الرئيسية من جامعة كورنيل وجامعة ولاية أوريغون ومختبر أرغون الوطني مجموعة أدوات التوصيف المتقدمة لدراسة تطور التركيب الذري لأحدث محفز كهربي لتفاعل تطور الاكسجين (OER)، إيريدات السترونتيوم  (SrIrO 3) في إلكتروليت الحمض، لفهم أصل نشاطه القياسي (١٠٠٠ مرة أعلى من المحفز التجاري، أكسيد الإيريديوم) لتفاعل تطور الاكسجين. مصدر الصور: زهينكسنغ فنغ، جامعة ولاية أوريغونأصبح إنتاج الهيدروجين بكميات كبيرة بكفاءة من الماء أقرب إلى أن يصبح حقيقة بفضل الباحثين والمتعاونين في كلية الهندسة بجامعة ولاية أوريغون وجامعة كورنيل ومختبر أرغون الوطني [١]. وقد استخدم العلماء أدوات تجريبية متقدمة للتوصل إلى فهم أوضح لعملية التحفيز الكهروكيميائية التي تكون أنظف وأكثر استدامة من اشتقاق الهيدروجين من الغاز الطبيعي. وتم نشر الاستنتاجات في مجلة ساينس ادفانسس (Science Advances) في التاسع من يناير ٢٠٢١.

ويوجد الهيدروجين في مجموعة واسعة من المركبات على الأرض، وغالبًا ما يتحد مع الأكسجين لتكوين الماء، وله العديد من الأدوار العلمية والصناعية والمتعلقة بالطاقة. كما يحدث أيضًا في صورة هيدروكربونات، وهي مركبات تتكون من الهيدروجين والكربون مثل الميثان، المكون الأساسي للغاز الطبيعي. وقال أستاذ الهندسة الكيميائية في جامعة ولاية أوريغون، البروفيسور زهينكسنغ فينغ (Zhenxing Feng) الذي قاد الدراسة: “إن إنتاج الهيدروجين مهم للعديد من جوانب حياتنا، مثل خلايا الوقود للسيارات وتصنيع العديد من المواد الكيميائية المفيدة مثل الأمونيا، كما أنه يستخدم في تكرير المعادن وإنتاج مواد من صنع الإنسان مثل البلاستيك ومجموعة من الأغراض الأخرى”.

ووفقًا لوزارة الطاقة، تنتج الولايات المتحدة معظم هيدروجينها من مصدر الميثان مثل الغاز الطبيعي عبر تقنية تُعرف باسم إعادة تشكيل بخار الميثان. وتتضمن العملية تعريض الميثان إلى بخار مضغوط في وجود محفز، مما ينتج عنه تفاعل ينتج الهيدروجين وأول أكسيد الكربون، فضلا عن كمية صغيرة من ثاني أكسيد الكربون.

ويشار إلى الخطوة التالية على أنها تفاعل تحول الماء والغاز حيث يتفاعل أول أكسيد الكربون والبخار عبر محفز مختلف، وينتج ثاني أكسيد الكربون وهيدروجين إضافي. وفي الخطوة الأخيرة، تتم إزالة امتصاص الضغط المتأرجح وثاني أكسيد الكربون والشوائب الأخرى، تاركًا وراءها الهيدروجين النقي.

وقال البروفيسور فنغ: “بالمقارنة مع إعادة تشكيل الغاز الطبيعي [٢] ، فإن استخدام الكهرباء من مصادر متجددة لتقسيم المياه من أجل الهيدروجين أنظف وأكثر استدامة؛ ومع ذلك، فإن كفاءة تقسيم الماء منخفضة، ويرجع ذلك أساسًا إلى الجهد الزائد العالي – الفرق بين الإمكانات الفعلية والإمكانات النظرية للتفاعل الكهروكيميائي – لنصف تفاعل رئيسي في العملية، وهو تفاعل تطور الأكسجين [٣] (Oxygen Evolution Reaction – OER)”.

ويكون نصف التفاعل إما من جزأين من الأكسدة والاختزال، وهو تفاعل تنتقل فيه الإلكترونات بين مفاعلين؛ يشير الاختزال إلى اكتساب الإلكترونات، والأكسدة تعني فقدان الإلكترونات. وغالبًا ما يستخدم مفهوم التفاعلات النصفية لوصف ما يحدث في الخلية الكهروكيميائية، وعادة ما تستخدم التفاعلات النصفية كطريقة لموازنة تفاعلات الأكسدة والاختزال. ويكون الجهد الزائد هو الهامش بين الجهد النظري والجهد الفعلي الضروري لإحداث التحليل الكهربائي – تفاعل كيميائي مدفوع بتطبيق التيار الكهربائي.

وقال البروفيسور فينغ: “تعتبر المحفزات الكهربائية (Electrocatalysts) بالغة الأهمية لتعزيز تفاعل انفصال المياه عن طريق خفض الجهد الزائد ، ولكن تطوير المحفزات الكهربائية عالية الأداء بعيدة كل البعد عن الوضوح”. وتابع: “تتمثل إحدى العقبات الرئيسية في نقص المعلومات المتعلقة بالهيكل المتطور للمحفزات الكهربية أثناء العمليات الكهروكيميائية، ويعد فهم التطور الهيكلي والكيميائي للمحفز الكهربائي أثناء تفاعل تطور الاكسجين ضروريًا لتطوير مواد محفزات كهربائية عالية الجودة، وبالتالي استدامة الطاقة”.

واستخدم البروفيسور فنغ وزملاؤه مجموعة من أدوات التوصيف المتقدمة لدراسة التطور الهيكلي الذري لأحدث محفز كهربائي لتفاعل تطور الاكسجين، وهو ايريدايت السترونتيوم (SrIrO ₃₎ ، في إلكتروليت الحمض. وقال: “أردنا أن نفهم أصل نشاطها القياسي المرتفع بالنسبة لتفاعل تطور الاكسجين – 1000 مرة أعلى من أكسيد الإيريديوم، المحفز التجاري الشائع”. وأضاف: “لاحظنا التحول الكيميائي السطحي والبلوري إلى غير المتبلور لايريدايت السترونتيوم أثناء تفاعل تطور الاكسجين، وذلك باستخدام مرافق الأشعة السينية القائمة على السنكروترون [٤] في مختبر ارغون الوطني، والتحليل الطيفي للإلكترون الضوئي [٥] بالأشعة السينية في مختبر موقع البنية التحتية لتكنولوجيا النانو الشمالية الغربية في جامعة ولاية اوريغون”. وقد أدت الملاحظات إلى فهم عميق لما كان يحدث وراء قدرة ايريدايت السترونتيوم على العمل بشكل جيد كعامل مساعد.

وتابع: “اكتشافنا المفصل على المستوى الذري يشرح كيف تتشكل طبقة السترونيوم النشطة على إيردايت السنترونتيوم، ويشير الى الدور الحاسم للتنشيط الشبكي للأكسجين والانتشار الايوني المقترن في تكوين وحدات تفاعل تطور الاكسجين النشطة”.

وأضاف فنغ أن العمل يوفر نظرة ثاقبة حول كيفية تطبيق الإمكانات التي تسهل تكوين الطبقات غير المتبلورة الوظيفية في الواجهة الكهروكيميائية ويؤدي إلى احتمالات تصميم محفزات أفضل.

*تمت الترجمة بتصرف

المصدر:

https://phys.org/news/2021-01-key-cleaner-sustainable-production-hydrogen.html

لمزيد من المعلومات: غانغ وان وآخرون، Amorphization mechanism of SrIrO₃ electrocatalyst: How oxygen redox initiates ionic diffusion and structural reorganization, Science Advances (2021). DOI: 10.1126/sciadv.abc7323

الهوامش:

[١] مختبر أرغون الوطني هو مختبر وطني للبحوث العلمية والهندسية تديره شركة (UChicago Argonne LLC) لصالح وزارة الطاقة الأمريكية. ويقع في ليمونت (خارج شيكاغو) بولاية إلينوي، وهو أكبر مختبر وطني من حيث الحجم والنطاق في الغرب الأوسط. كانت بدايات أرغون في مختبر المعادن (Metallurgical) التابع لجامعة شيكاغو، والذي تم تشكيله جزئيًا لتنفيذ عمل الفيزيائي الإيطالي ومنشئ أول مفاعل نووي انريكو فرمي (Enrico Fermi)، في المفاعلات النووية لمشروع مانهاتن خلال الحرب العالمية الثانية. وعقب الحرب، تم الاعتراف به كأول مختبر وطني في الولايات المتحدة في ١ يوليو ١٩٤٦. وفي حقبة ما بعد الحرب، ركز المختبر بشكل أساسي على الفيزياء النووية غير المتعلقة بالأسلحة، وتصميم وبناء أول مفاعلات نووية منتجة للطاقة، والمساعدة في تصميم المفاعلات التي تستخدمها البحرية النووية للولايات المتحدة، ومجموعة متنوعة من المشاريع المماثلة. وفي عام ١٩٩٤، انتهت المهمة النووية للمختبر، واليوم يقوم بمجموعة واسعة في أبحاث العلوم الأساسية، وتخزين الطاقة والطاقة المتجددة، والاستدامة البيئية، والحوسبة الفائقة، والأمن القومي. ويكيبيديا

[٢] إعادة تشكيل الغاز الطبيعي (Natural Gas Reforming) هي عملية إنتاج متقدمة وطريقة عملها هي أن الغاز الطبيعي يحتوي على غاز الميثان (CH4) الذي يمكن استخدامه لإنتاج الهيدروجين بالعمليات الحرارية، مثل إعادة تشكيل البخار والميثان والأكسدة الجزئية. ويتم تصنيع معظم الهيدروجين المنتج اليوم في الولايات المتحدة عن طريق إعادة تشكيل بخار الميثان، وهي عملية يستخدم فيها بخار عالي الحرارة (700 درجة مئوية إلى 1000 درجة مئوية) لإنتاج الهيدروجين من مصدر الميثان، مثل الغاز الطبيعي. في عملية إعادة التشكيل بالبخار والميثان، يتفاعل الميثان مع البخار تحت ضغط 3-25 بار (1 بار = 14.5 رطل / بوصة مربعة) في وجود محفز لإنتاج الهيدروجين وأول أكسيد الكربون وكمية صغيرة نسبيًا من ثاني أكسيد الكربون. ويعد إعادة التشكيل بالبخار ماصًا (مستهلكا) للحرارة، أي يجب توفير الحرارة للعملية حتى يستمر التفاعل. وبعد ذلك – في ما يسمى “تفاعل تحول الماء والغاز” – يتفاعل أول أكسيد الكربون والبخار باستخدام محفز لإنتاج ثاني أكسيد الكربون والمزيد من الهيدروجين. وفي خطوة عملية أخيرة تسمى “امتزاز تأرجح الضغط” ، تتم إزالة ثاني أكسيد الكربون والشوائب الأخرى من تيار الغاز، تاركًا الهيدروجين النقي بشكل أساسي. ويمكن أيضًا استخدام إعادة التشكيل بالبخار لإنتاج الهيدروجين من أنواع الوقود الأخرى، مثل الإيثانول أو البروبان أو حتى البنزين. ويكيبيديا.

[٣] تفاعل تطور الاكسجين (Oxygen Evolution Reaction) هو تفاعل مقيد في عملية توليد الأكسجين الجزيئي من خلال تفاعل كيميائي، مثل أكسدة الماء أثناء التمثيل الضوئي للأكسجين، والتحليل الكهربائي للماء إلى أكسجين وهيدروجين، وتطور الأكسجين التحفيزي الكهربائي من الأكاسيد وأحماض الأكسدة. المصدر: https://www.sciencedirect.com/topics/engineering/oxygen-evolution-reaction

[٤] تنتج مرافق الإشعاع السنكروتروني أشعة سينية ساطعة يمكن للباحثين تطبيقها في مجموعة متنوعة من المجالات، بما في ذلك علم المواد وعلم الأرض وعلم الأحياء. في حين أن هناك العديد من المزايا للتقنيات القائمة على السنكروترون بسبب الكثافة العالية لحزمة الأشعة السينية، فإن القيد الرئيسي لعمل السنكروترون هو توافرها وإمكانية الوصول اليها بسبب ندرة المراكز المتخصصة. وتتمثل ميزة تقنيات الأشعة السينية القائمة على السنكروترون في: أنها عادة غير مدمرة، ويمكنها قياس العينات بأقل قدر من التلاعب بالعينة، ويمكن الحصول على البيانات بسرعة. ويكيبيديا

[٥] يشير التحليل الطيفي للإلكترون الضوئي إلى قياس طاقة الإلكترونات المنبعثة من المواد الصلبة أو الغازات أو السوائل عن طريق التأثير الكهروضوئي ، من أجل تحديد طاقات الربط للإلكترونات في المادة. يشير المصطلح إلى تقنيات مختلفة ، اعتمادًا على ما إذا كانت طاقة التأين يتم توفيرها بواسطة فوتونات الأشعة السينية أو فوتونات الأشعة فوق البنفسجية. بغض النظر عن شعاع الفوتون الساقط ، فإن جميع مطياف الإلكترون الضوئي تدور حول الموضوع العام لتحليل السطح عن طريق قياس الإلكترونات المقذوفة. ويكيبيديا.