يمكن لمحفز جديد يستخدم ذرة بلاتينية واحدة أن يبسط عملية تخزين الهيدروجين لمصادر الطاقة المتجددة. يمكن استخدام المحفز، الذي طوره علماء في جامعة سيتي في هونغ كونغ (CityU) واختبره زملاء في إمبريال كوليدج لندن، بتكلفة زهيدة وعلى نطاق واسع.
يعد المحفز الجديد الذي يستخدم ذرة بلاتينية واحدة، والذي طورته جامعة سيتي في هونغ كونغ وتم اختباره في إمبريال كوليدج لندن، بجعل تخزين الهيدروجين باستخدام مصادر الطاقة المتجددة أسهل وأكثر اقتصادا. يعمل هذا الابتكار على تشتيت ذرات البلاتين على كبريتيد الموليبدينوم، مما يقلل من كمية البلاتين المستخدمة ويحسن كفاءة التحليل الكهربائي.
قال المؤلف المشارك البروفيسور أنتوني كوسيرناك، من قسم الكيمياء في إمبريال كوليدج لندن: "تحدد استراتيجية الهيدروجين في المملكة المتحدة هدفًا طموحًا يتمثل في 10 جيجاوات من قدرة إنتاج الهيدروجين منخفض الكربون بحلول عام 2030. ولتحقيق ذلك، نحتاج إلى زيادة إنتاج تخزين الهيدروجين الرخيص وسهل الإنتاج والفعال. ويمكن للمحفزات الكهربائية الجديدة أن تقدم مساهمة كبيرة في هذا، مما يساعد المملكة المتحدة في نهاية المطاف على تحقيق هدفها المتمثل في صافي الانبعاثات الصفرية بحلول عام 2050".
ينمو توليد الكهرباء من مصادر الطاقة المتجددة مثل طاقة الرياح والطاقة الشمسية بسرعة. ومع ذلك، يجب تخزين بعض الطاقة المنتجة لاستخدامها عندما لا تكون الظروف الجوية مواتية لطاقة الرياح والطاقة الشمسية. أحد الأساليب الواعدة هو تخزين الطاقة على شكل هيدروجين، والذي يمكن تخزينه ونقله لاستخدامه لاحقًا.
وللقيام بذلك، يتم استخدام الطاقة المتجددة لتقسيم جزيئات الماء إلى هيدروجين وأكسجين، مع تخزين الطاقة في ذرات الهيدروجين. ويتطلب ذلك استخدام محفز البلاتين لتحفيز تفاعل تقسيم جزيئات الماء، المعروف أيضًا باسم التحليل الكهربائي. ومع ذلك، في حين أن البلاتين يعد محفزًا ممتازًا لهذا التفاعل، إلا أنه باهظ الثمن ونادر، لذا فإن تقليل استخدامه مهم لتقليل تكاليف النظام والحد من استخراج البلاتين.
الآن، في دراسة حديثة نشرت في مجلة Nature، صمم الفريق واختبر محفزًا يستخدم أقل قدر ممكن من البلاتين، مما أدى إلى إنشاء منصة فعالة لفصل المياه وفعالة من حيث التكلفة.
وقال الباحث الرئيسي البروفيسور تشانغ هوا من جامعة سيتي في هونغ كونغ: "يعتبر الهيدروجين الناتج عن تقسيم الماء بالتحفيز الكهربائي أحد مصادر الطاقة النظيفة الواعدة ليحل محل الوقود الأحفوري في المستقبل القريب ويمكن أن يقلل التلوث البيئي وتأثير الاحتباس الحراري".
أدوات الاختبار
يتضمن ابتكار الفريق تشتيت البلاتين أحادي الذرة في رقائق كبريتيد الموليبدينوم (MoS2). يستخدم هذا كمية أقل بكثير من البلاتين مقارنة بالمحفزات الموجودة، بل ويحسن الأداء لأن البلاتين يتفاعل مع الموليبدينوم، مما يجعل التفاعل أكثر كفاءة.
إن نمو المحفزات الرقيقة على دعامات الصفائح النانوية مكّن فريق CityU من إنشاء مواد عالية النقاء. ثم قام مختبر البروفيسور كوتشيناك في إمبريال بتوصيف المواد وتطوير الأساليب والنماذج لتحديد كيفية عمل المحفز.
كان لدى الفريق الإمبراطوري الأدوات اللازمة لإجراء اختبارات صارمة لأنهم طوروا العديد من التقنيات خصيصًا للعمل مع هذا المحفز. وقد أسس البروفيسور كوتشيناك وزملاؤه عدة شركات تعتمد على هذه التقنيات، بما في ذلك شركة RFCPower المتخصصة في بطاريات تدفق الهيدروجين.
استخدم الهيدروجين
وبمجرد تخزين الطاقة المتجددة على شكل هيدروجين، فإن استخدامها مرة أخرى ككهرباء يتطلب تحويلها باستخدام خلايا الوقود، التي تنتج بخار الماء كمنتج ثانوي في تفاعل تقسيم الأكسجين. ومؤخرًا، اكتشف البروفيسور كوتشيناك وزملاؤه محفزًا من ذرة واحدة لهذا التفاعل يعتمد على الحديد بدلاً من البلاتين، مما سيقلل أيضًا من تكلفة التكنولوجيا.
وستقوم شركة أخرى منبثقة بقيادة البروفيسور كوتشيناك، وهي شركة Bramble Energy، باختبار هذه التكنولوجيا في خلايا الوقود الخاصة بها. لذا فإن كلا المحفزين أحادي الذرة - أحدهما يساعد على تحويل الطاقة المتجددة إلى هيدروجين للتخزين، والآخر يساعد على إطلاق تلك الطاقة لاحقًا على شكل كهرباء - لديه القدرة على تقريب اقتصاد الهيدروجين إلى الواقع.