كيف يمكن إنتاج الهيدروجين الأخضر بكفاءة أكبر وبتكلفة أقل؟ يمكن أن توفر جزيئات الروثينيوم الصغيرة وأنظمة التحليل الكهربائي للمياه بالطاقة الشمسية الإجابة. هذا هو الحل الذي حدده فريق مشترك مكون من المعهد الإيطالي للتكنولوجيا (IIT) في جنوة وشركة BeDimensional S.p.A. (وهي شركة منبثقة عن IIT).
تعتمد هذه التكنولوجيا، التي تم تطويرها ضمن أنشطة المختبر المشترك ونشرت مؤخرًا في مجلتين عاليتي التأثير (Nature Communications وJournal of the American Chemical Society)، على عائلة جديدة من المحفزات الكهربائية التي يمكن أن تقلل من تكلفة إنتاج الهيدروجين الأخضر على المستوى الصناعي.
ويعتبر الهيدروجين ناقلاً للطاقة المستدامة وبديلاً للوقود الأحفوري. ولكن لا يتم إنشاء كل الهيدروجين بشكل متساوٍ عندما يتعلق الأمر بالتأثير البيئي. في الواقع، الطريقة الرئيسية الحالية لإنتاج الهيدروجين هي إعادة تشكيل بخار الميثان، وهي عملية تعتمد على الوقود الأحفوري والتي تطلق ثاني أكسيد الكربون كمنتج ثانوي.
يُصنف الهيدروجين الناتج عن هذه العملية إلى "رمادي" (يتم إطلاق ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي) و"أزرق" (يتم التقاط ثاني أكسيد الكربون وتخزينه جيولوجيًا). ولتقليل الانبعاثات بشكل كبير إلى الصفر بحلول عام 2050، يجب استبدال هذه العمليات بعمليات أكثر استدامة بيئيًا لتوفير الهيدروجين "الأخضر" (أي صافي الانبعاثات صفر). تعتمد تكلفة الهيدروجين "الأخضر" بشكل أساسي على كفاءة الطاقة للجهاز (المحلل الكهربائي) الذي يفصل جزيئات الماء إلى هيدروجين وأكسجين.
طور باحثون من الفريق المشترك الذي يقف وراء هذا الاكتشاف طريقة جديدة تعد بكفاءة أكبر من الطرق المعروفة حاليًا في تحويل الطاقة الكهربائية (تحيز الطاقة المستغل عند تقسيم جزيئات الماء) إلى طاقة كيميائية مخزنة في جزيئات الهيدروجين الناتجة. وقام فريق البحث بتطوير مفهوم المحفز واستخدام الطاقة المتجددة، مثل الكهرباء المولدة بواسطة الألواح الشمسية.
"تظهر دراستنا أنه من الممكن تعظيم كفاءة التكنولوجيا الناضجة، على الرغم من الاستثمار الأولي أعلى قليلاً من ذلك المطلوب للمحللات الكهربائية القياسية. وذلك لأننا نستخدم الروثينيوم، وهو معدن ثمين"، علق زو يونغ وميشيل فيري من مجموعة كيمياء النانو في المعهد الدولي للفنون التطبيقية في جنوة.
استخدم الباحثون جسيمات نانوية من الروثينيوم، وهو معدن ثمين له خصائص كيميائية مماثلة للبلاتين ولكنه أرخص بكثير. تعمل جزيئات الروثينيوم النانوية كمرحلة نشطة في كاثود المحلل الكهربي، وبالتالي تزيد من كفاءة المحلل الكهربي بشكل عام.
"لقد قمنا بتقييم النشاط التحفيزي لموادنا من خلال إجراء التحليلات والاختبارات الكهروكيميائية في ظل ظروف مهمة صناعياً. علاوة على ذلك، أتاحت لنا المحاكاة النظرية فهم السلوك التحفيزي لجسيمات الروثينيوم النانوية على المستوى الجزيئي؛ وبعبارة أخرى، فهم آلية تقسيم الماء على سطحها،" يوضح سيباستيانو بيلاني وماريلينا زابيا من BeDimensional، الذين شاركوا في الاكتشاف. "من خلال الجمع بين البيانات التجريبية ومعلمات العملية الأخرى، أجرينا تحليلًا تقنيًا واقتصاديًا أظهر أن التكنولوجيا قادرة على المنافسة مقارنة بأحدث أجهزة التحليل الكهربائي."
الروثينيوم، وهو معدن ثمين يتم إنتاجه كمنتج ثانوي لاستخراج البلاتين، يتم إنتاجه بكميات صغيرة (30 طنًا سنويًا مقارنة بـ 200 طن من البلاتين سنويًا) ولكن بتكلفة أقل (18.50 دولارًا للجرام مقارنة بـ 30 دولارًا للبلاتين). تستخدم التكنولوجيا الجديدة 40 ملليجرام فقط من الروثينيوم لكل كيلووات، على النقيض من الاستخدام المكثف للبلاتينيوم (ما يصل إلى 1 جرام لكل كيلووات) والإيريديوم (1 إلى 2.5 جرام لكل كيلووات) في المحلل الكهربي بغشاء تبادل البروتونات، حيث تبلغ تكلفة الإيريديوم حوالي 150 دولارًا لكل جرام.
باستخدام الروثينيوم، تمكن باحثون من المعهد الهندي للتكنولوجيا وBeDimensional من تحسين كفاءة المحلل الكهربائي القلوي، وهي تقنية تم استخدامها لعقود من الزمن بسبب متانتها. على سبيل المثال، تم استخدام هذه التكنولوجيا في كبسولة أبولو 11 الفضائية التي أرسلت البشر إلى القمر في عام 1969. وتتميز المجموعة المطورة حديثا من الكاثودات القائمة على الروثينيوم للمحللات الكهربائية القلوية بكفاءة عالية ولها عمر تشغيلي طويل، وبالتالي تقلل من تكلفة إنتاج الهيدروجين الأخضر.
وخلص الباحثون إلى أنه "في المستقبل، نخطط لتطبيق هذه التقنيات وغيرها، مثل المحفزات ذات البنية النانوية القائمة على مواد ثنائية الأبعاد مستدامة، في المحللات الكهربائية المطورة التي تعمل بمصادر الطاقة المتجددة، بما في ذلك الكهرباء المولدة من الألواح الكهروضوئية".
المصدر المجمع: ScitechDaily