علوم القطيف مقالات علمية في شتى المجالات العلمية
High Efficiency at Low Cost: New Catalyst Moves Seawater Desalination, Hydrogen Production Closer to Commercialization
(By UNIVERSITY OF HOUSTON – بواسطة: جامعة هيوستن)
ملخص المقالة:
كشف علماء جامعة هيوستن عن محفز جديد قليل التكلفة وذي كفاءة عالية – في درجة حرارة الغرفة – يجعل تحلية مياه البحر وإنتاج غاز الهيدروجين قابلين للتسويق التجاري، مما يشجع على استهداف مياه البحر لتلبية حاجة العالم من مياه الشرب النظيفة ومن الطاقة الخالية من الكربون. هذا المحفز هو هيدروكسيد النيكل والحديد (أوكسي oxy) معجون بكمية صغيرة من الكبريت، ويستغرق 5 دقائق فقط لينمو على رغوة النيكل – المتوفرة تجاريًا – في درجة حرارة الغرفة. وعند اقترانه بمحفز تفاعل تطور الهيدروجين، يمكنه تحقيق كثافة التيار المطلوبة صناعيًا لفصل مركبات مياه البحر بشكل عام عند الجهد المنخفض.
يؤدي التجميع السريع بخطوة واحدة في درجة حرارة الغرفة إلى كفاءة عالية بتكلفة منخفضة
تشكل مياه البحر حوالي 96٪ من إجمالي المياه على كوكب الأرض، مما يجعلها موردًا مغريًا لتلبية حاجة العالم المتزايدة لمياه الشرب النظيفة والطاقة الخالية من الكربون. ولدى العلماء – بالفعل – القدرة التقنية على تحلية مياه البحر وفصل مركباتها وشطرها لإنتاج الهيدروجين المطلوب كمصدر للطاقة النظيفة. ولكن الأساليب الحالية تتطلب خطوات متعددة يتم إجراؤها في درجات حرارة عالية على مدى فترة زمنية طويلة من أجل إنتاج محفز بالكفاءة المطلوبة، ويتطلب ذلك كميات كبيرة من الطاقة ويزيد التكلفة.
وأفاد باحثون من جامعة هيوستن عن محفز تطوري للأكسجين يستغرق دقائق فقط لينمو في درجة حرارة الغرفة على رغوة النيكل المتوفرة تجاريًا. وعند اقترانه بمحفز تفاعل تطور الهيدروجين – الذي تم الإبلاغ عنه مسبقًا – يمكنه تحقيق كثافة التيار المطلوبة صناعيًا لفصل مركبات مياه البحر بشكل عام عند الجهد المنخفض. وقد تم وصف العمل في ورقة بحثية نُشرت في مجلة “الطاقة والعلوم البيئية” (Energy & Environmental Science).
وقال البروفيسور زهيفينغ رين (Zhifeng Ren) ، مدير مركز تكساس للموصلية الفائقة في جامعة هيوستن (Texas Center for Superconductivity at UH (TcSUH)) والمؤلف المقابل للورقة العلمية: “إن الإنتاج السريع منخفض التكلفة أمر بالغ الأهمية للتسويق”. وأضاف: “أي اكتشاف، أي تطوير تكنولوجي، بغض النظر عن مدى جودته، ستلعب التكلفة النهائية الدور الأكثر أهمية؛ فإذا كانت التكلفة باهظة، فلن يصل إلى السوق. وفي هذه الورقة العلمية، وجدنا طريقة لتقليل التكلفة بحيث يكون التسويق التجاري أسهل وأكثر قبولًا للعملاء”.
وقد أبلغت مجموعة أبحاث البروفيسور رين وآخرون سابقًا عن وجود مركب هيدروكسيد النيكل والحديد ( أوكسي oxy ) كمحفز لفصل مركبات مياه البحر، لكن إنتاج المادة يتطلب عملية طويلة تتم في درجات حرارة تتراوح بين 300 درجة مئوية و 600 درجة مئوية ، أو تصل إلى 1100 درجة فهرنهايت. وذكر البروفيسور رين، وهو أيضًا أستاذ الفيزياء في كلية إم دي أندرسون (للفيزياء) في جامعة هيوستن، أن التكلفة العالية للطاقة جعلتها غير عملية للاستخدام التجاري، كما أدت درجات الحرارة المرتفعة إلى تدهور السلامة الهيكلية والميكانيكية لرغوة النيكل، مما جعل الاستقرار على المدى الطويل مصدر قلق.
ولمعالجة كل من التكلفة والاستقرار، اكتشف الباحثون عملية لاستخدام هيدروكسيد النيكل والحديد ( أوكسي ) على رغوة النيكل، معجون بكمية صغيرة من الكبريت لإنتاج محفز فعال في درجة حرارة الغرفة في غضون خمس دقائق. وذكروا أن العمل في درجة حرارة الغرفة قلل من التكلفة وحسن الاستقرار الميكانيكي.
وكتبوا: “لتعزيز اقتصاد الهيدروجين، من الضروري تطوير منهجيات سهلة وفعالة من حيث التكلفة لتركيب (توليف) محفزات هيدروكسيد قائم على النيكل والحديد ( أوكسي) لإحداث تحليل كهربائي عالي الأداء لمياه البحر؛ وقد طورنا في هذا العمل نهجًا هندسيًا سطحيًا من خطوة واحدة لتصنيع محفزات هيدروكسيد النيكل والحديد (اوكسي) معجونة بالكبريت، وهي عالية المسامية وذاتية المساندة، من رغوة النيكل التجارية في 1 إلى 5 دقائق في درجة حرارة الغرفة”.
وقد شارك في البحث العلمي، بالإضافة إلى البروفيسور رين: المؤلف الأول للورقة العلمية لو يو ، و ليبو وو ، وبرايان ماك إلهيني ، و شاوويى سونغ ، ودان لو ، وفانغاو زيهانغ ، وشوو تشين ، وجميعهم يدرسون ويعملون مع قسم الفيزياء في جامعة هيوستن؛ بالإضافة الى: يينغ يو من كلية العلوم الفيزيائية والتكنولوجيا في جامعة الصين الطبيعية المركزية.
وقال البروفيسور رين: “إن أحد مفاتيح نهج الباحثين كان قرار استخدام تفاعل كيميائي لإنتاج المادة المطلوبة، بدلاً من التركيز على التحول الفيزيائي التقليدي المستهلك للطاقة”.وتابع: “قادنا ذلك إلى الهيكل الصحيح، والتكوين المناسب لمحفز تطوري للأكسجين”.
*تمت الترجمة بتصرف
المرجع: “Ultrafast room-temperature synthesis of porous S-doped Ni/Fe (oxy)hydroxide electrodes for oxygen evolution catalysis in seawater splitting” by Luo Yu, Libo Wu, Brian McElhenny, Shaowei Song, Dan Luo, Fanghao Zhang, Ying Yu, Shuo Chen and Zhifeng Ren, 2 June 2020, Energy & Environmental Science.
DOI: 10.1039/D0EE00921K
المصدر: