تطوير حفاز مبتكر لتقسيم الماء الحمضي بكفاءة (لإنتاج الهيدروجين الأخضر)

في دراسة رائدة نُشرت في مجلة “المواد المتقدمة” Advanced Materials، كشف الباحثون عن حفاز جديد، RuSiW، والذي يُعد خطوة كبيرة في مجال تقسيم الماء الحمضي، وهي عملية حاسمة لإنتاج الهيدروجين. يعد هذا الحفاز الجديد بتجاوز القيود التي تواجه المواد الحالية المستخدمة في تفاعلات تطور الهيدروجين والأكسجين (HER و OER) انظر الشكل (1).

الشكل (1): عملية ال HER و OER في وجود الحفاز RuSiW.

أدى البحث عن مصادر طاقة مستدامة وفعالة إلى استكشاف الباحثين لتحليل الماء كوسيلة لإنتاج الهيدروجين، وهو حامل طاقة نظيف. ومع ذلك، تتطلب العملية حفازات كهروكيميائية فعالة، كانت تعتمد تقليديًا على معادن المجموعة البلاتينية النادرة والمكلفة. ظهر RuO2  كبديل، لكنه واجه مشاكل في نشاط HER والاستقرار في البيئات الحمضية.

يقدم البحث الجديد حفاز RuSiW، وهو حفاز ثنائي الوظيفة مبني على RuOx، تم تخليقه من خلال التطور الكهروكيميائي للبوليوكسوميتالات المبنية على معدن Ruthenium. يتكون هذا الحفاز من نواة RuO2 نانوكريستالية وقشرة RuOx مشتركة مع SiW، مما يوفر أداءً محسنًا في الظروف الحمضية.

يظهر RuSiW نشاطًا كهروكيميائيًا استثنائيًا لكل من HER وOER، يمكن مقارنته بالمعايير الصناعية مثل Pt/C وRuO2، ولكن مع استقرار أفضل. يُعزى هذا الأداء إلى البنية الأساسية/القشرية التي تتميز بRuOx المشترك مع SiW، حيث تحافظ على الاستقرار في الظروف الحمضية. كما تكشف التحليلات الحسابية أن الترميز المشترك بين Si و W يحسن من تكوينات ال
ذرات لامتصاص الهيدروجين، مما يعزز نشاط HER.

أظهر الحفاز RuSiW أداءً أعلى من الحفازات التقليدية من حيث نشاط HER وOER واستقراره، وتم تأكيد ذلك من خلال تقنيات توصيف متنوعة مثل الميكروسكوب الإلكتروني والتحليل الطيفي انظر الشكل (2).

الشكل (2): عملية التوصيف باستخدام اجهزة متقدمة.

لا يقتصر هذا البحث على تقديم حفاز كهروكيميائي ثنائي الوظيفة ذو كفاءة عالية فحسب، بل يغير أيضًا المفاهيم من خلال استخدام عناصر مثل Si و W، التي كانت تعتبر تقليديًا غير نشطة كيميائيًا. تفتح النتائج الطريق لتطوير حفازات أكثر استدامة وفعالية من حيث التكلفة في إنتاج الهيدروجين من خلال تحليل الماء كهربائيًا.

يُعد تطوير الحفاز RuSiW قفزة كبيرة في مجال الكهروكيمياء وتقنيات الطاقة المتجددة. من خلال الجمع بين الأساليب التجريبية والحسابية، يقدم البحث فهمًا شاملًا لوظيفة الحفاز، مما يسلط الضوء على إمكاناته في تحسين كفاءة إنتاج الهيدروجين. يمكن أن يكون لهذا الاختراق تأثير كبير على تطوير حلول الطاقة النظيفة، مما يتماشى مع الجهود العالمية للانتقال إلى مصادر الطاقة المستدامة.

باختصار، يُعد الحفاز RuSiW، بكفاءته واستقراره الاستثنائيين في تقسيم الماء الحمضي، شاهدًا على التقدم المبتكر الذي يُحرز في مجال بحوث الطاقة. ليس فقط يعالج التحديات الحالية في إنتاج الهيدروجين، ولكنه أيضًا يضع معيارًا جديدًا للتقدم المستقبلي في مجال تقنيات الطاقة المستدامة.

المصدر: https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202304468