توليد طاقة نظيفة باستخدام محفّزات الذرّة الواحدة
أدى النمو السريع في التعداد السكاني وازدهار القطاعات الصناعية على مستوى العالم إلى زيادة احتياجنا للطاقة، وخاصة مع وجود الوقود البترولي الملوِّث للبيئة والمهدَّد بالنفاذ؛ لذا وجب البحث عن مصادر للطاقة النظيفة والمستدامة.
وتعد خلايا الوقود الغشائية التي تعتمد على تبادل البروتون (Proton-exchange membrane fuel cell, PEMFC) من أهم مصادر الطاقة التي شهدت اهتمامًا بحثيًا كبيرًا في الآونة الأخيرة؛ حيث يتم إنتاج الكهرباء نتيجة التفاعل الكهروكيميائي بين الهيدروجين والأكسجين. تتكوّن هذه الخلايا بشكل أساسي من قطبين (سالب وموجب) وغشاء بوليمري يحتوي على أيونات؛ حيث يتأكسد الهيدروجين عند القطب الموجب، ويختزل الأكسجين عند القطب السالب. ويتطلّب تفاعل اختزال الأكسجين (Oxygen reduction reaction, ORR) محفّزًا كهروكيميائيًّا، والذي عادةً ما يتضمن مادة معدنية.
وقد زاد الاهتمام مؤخرًا بالمحفّزات ذات الذرّة الواحدة كتقنيّة مرشَّحة لتصنيع الخلايا الغشائيّة لعدة أسباب، أهمّها: كفاءتها العالية في استخدام ذرات المعادن عبر تبديدها بفعاليّة، وقابليّة إعادة استخدامها؛ مما يؤدي إلى أقصى استفادة من ذرات المعادن.
لكن بالرغم من ذلك، فإن الذرات المعدنية المنعزلة لديها قابلية عالية لتتكتّل سويًا، ويرجع ذلك إلى ارتفاع الطاقة السطحية لديها. لذا فضمان تبدّد ذرات المعادن يستوجب نسبة معادن منخفضة في هذا النوع من المواد التحفيزية (<1%).
وهنا ينشأ التحدي؛ وهو بناء المواد التحفيزية ذات الذرّة الواحدة، والتي تحتوي على نسبة عالية من المعادن. كما أنها لابد وأن تمتاز أيضًا بمساميّة ومساحات سطحيّة عالية؛ لتسهيل الوصول للمواقع ذات النشاط التحفيزي، ألا وهي ذرّات المعادن.
قام فريق بحثي في الصين بتطوير مادة تحفيزية مستمدّة من نوع من الأطر العضوية المعدنية المعروفة باسم (MOFs) (Metal-Organic Frameworks) والتي تحتوي على ذرات الحديد (PCN-222(Fe))، بالإضافة إلى تعبئة المسام المتواجدة في هذه الأطر بجزيئات ثاني أكسيد السليكون (SiO2) بطريقة (nanocasting).
ويتعرض هذا المركّب بعد ذلك إلى عملية انحلال حراري، ينتج عنها المحفّز (FeSA-N-C) والذي يحتوي على ذرّات الحديد المنعزلة المثبّتة على مواد كربونيّة مطعّمة بذرات النيتروجين.
وبهذه المنهجية الجديدة يتم استقرار ذرّات الحديد ومنعها من التكتّل بأسلوبين: الأول وهو نتيجة تباعد ذرّات الحديد لارتكازها على النيتروجين في الروابط العضوية في (MOFs)، والثاني بتطعيم المسام بثاني أكسيد السليكون مما يؤدي إلى انخفاض الطاقة السطحية لدى ذرات الحديد، وحمايتها من التجمّع أثناء عملية الانحلال الحراري.
ويتميّز هذا المحفّز بالمساميّة، ونسبة معدنيّة عالية (3.46 wt%)، مما يؤدي إلى ارتفاع فعاليّة التحفيز الكهروكيميائي لاختزال الأكسجين في كلتا البيئتين؛ الحمضية، والقلوية.
وقد بلغت كثافة التيار الكهربائي لدى (FeSA-N-C) إلى (292mA/cm2) عند جهد (70,8)، وحققت أعلى كثافة للطاقة عند ( 0.68 W/cm2) وذلك مقارنة بالمحفزات المعدنية الأخرى التي تم نشرها من قَبل لنفس الاستخدامات.
وقد أثبت الباحثون إمكانية تطبيق نفس المنهجيّة لإنتاج المحفّزات ذات الذرّة الواحدة من معدنيّ الكوبلت، والنيكل، وذلك عن طريق استبدال المعدن (الحديد) المُتواجد في (MOF)، والمُستخدم في بادئ الأمر.
