آلية حديثة يمكنها تقسيم مياه البحر مباشرة لإنتاج وقود الهيدروجين

يعتبر الخبراء أن استخدام الكهرباء المتجددة لتقسيم المياه إلى هيدروجين وأكسجين هو أنظف طريق لإنتاج وقود الهيدروجين. لكننا نعيش في عالم تعتبر فيه المياه النظيفة سلعة ثمينة يفتقر إليها ثلث العالم بسهولة. صنع باحثون في الصين الآن جهازًا يمكنه تقسيم مياه البحر مباشرة لإنتاج وقود الهيدروجين.

يقول مطورو الجهاز، الذي نُشر في مجلة Nature، إنه يمكن أن يوفر طريقًا مستدامًا وعمليًا لصنع الهيدروجين. يقول Zongping Shao، أستاذ الهندسة الكيميائية في جامعة نانجينغ تك في الصين: “تحقق استراتيجيتنا [لدينا] تحليلًا كهربائيًا مباشرًا فعالًا ومرنًا في الحجم وقابلًا للتطوير بطريقة مشابهة لتقسيم المياه العذبة دون زيادة ملحوظة في تكلفة التشغيل” .

يتم إنتاج أكثر من 90 في المائة من الهيدروجين حاليًا من الوقود الأحفوري، مما يؤدي إلى كمية كبيرة من انبعاثات ثاني أكسيد الكربون في هذه العملية. قد تكون المحيطات والبحار مصدرًا لا نهاية له للهيدروجين الرخيص الخالي من الانبعاثات. لكن تقسيم المياه المالحة أمر صعب مع أجهزة التحليل الكهربائي الحالية.

يحتوي المحلل الكهربائي على قطبين مغلفين بالمحفز يمرران التيار عبر الماء. يفصل الغشاء بين الهيدروجين والأكسجين بينما تخرج الغازات من الماء على كل جانب.

يقول شاو إن الشوائب في مياه البحر يمكن أن تسبب ردود فعل جانبية وتآكل. على وجه التحديد، تقوم المحفزات الحالية بتحويل أيونات الكلوريد في مياه البحر إلى غاز الكلور عند الأنود. الكلورين هو غاز شديد التفاعل والتآكل، ويمكن أن يؤدي إلى تحلل المحفزات والأقطاب الكهربائية، مما يقصر من عمر الجهاز.

تتفاعل أيونات أخرى في مياه البحر، مثل المغنيسيوم والكالسيوم، أيضًا مع المحفز، وتشكل منتجات ثانوية يمكن أن تسد الأغشية. بالإضافة إلى ذلك، تقلل كل هذه التفاعلات الجانبية من كفاءة المحلل الكهربائي.

تعد إزالة الأملاح والشوائب من مياه البحر إحدى الطرق للتغلب على هذه المشكلة، لكن تحلية المياه وتنقيتها تتطلب الكثير من الطاقة وهي باهظة الثمن. في الماضي، حاول الباحثون أيضًا طلاء المحفزات لمنع هذه التفاعلات الجانبية. يقول شاو إن هذا النهج حقق نجاحًا متواضعًا، وهو غير عملي حقًا. صنع آخرون أجهزة تحليل كهربائي صغيرة الحجم تعمل بالطاقة الشمسية على نطاق معمل خالية من الأغشية، لكنهم يحتاجون عادةً إلى مضخات.

اختار Shao و Heping Xie من جامعة Shenzhen وزملاؤهما الحفاظ على الغشاء. بدلاً من ذلك، أعادوا تصميم نظام التحليل الكهربائي بطريقة تحافظ على الأيونات والشوائب بعيدًا عن الأقطاب الكهربائية بحيث لا تكون هناك تفاعلات جانبية أو تآكل. في أجهزتهم، يتم غمر قطبين، مفصولين بغشاء رقيق يبقي الأكسجين والهيدروجين منفصلين، في محلول إلكترويت مركّز لهيدروكسيد البوتاسيوم.

تفصل الأغشية المسامية المنحل بالكهرباء عن مياه البحر على كل جانب. يحافظ الغشاء الغني بالفلور على الماء السائل ولكنه يسمح بمرور بخار الماء.

الآن، عندما يتم تمرير الكهرباء عبر الأقطاب الكهربائية، فإنها تقسم الماء في محلول الإلكتروليت. يزداد تركيز المحلول أكثر، مما يخلق فرق ضغط بين المنحل بالكهرباء ومياه البحر على السطح الخارجي للأغشية. يؤدي هذا إلى تبخر مياه البحر تلقائيًا، وينتشر بخار الماء عبر الأغشية إلى الإلكتروليت، حيث يتحول مرة أخرى إلى ماء سائل، ويعيد ملء الماء الذي تم تحليله بالكهرباء من قبل.

وبهذه الطريقة، يحافظ التحليل الكهربائي للماء على الأقطاب الكهربائية على التدفق المستمر للمياه النقية إلى الأقطاب الكهربائية، مع إبقاء الأيونات والشوائب الأخرى في مياه البحر على السطح الخارجي للغشاء. يقول شاو: “على هذا النحو، ليست هناك حاجة إلى طاقة إضافية لضمان دخول الماء إلى النظام”، مما يعني أن استهلاك الطاقة في المحلل الكهربائي لدينا مشابه لاستهلاك المحلل الكهربائي القلوي الصناعي. تكلفة الغشاء منخفضة للغاية ، وله الأداء الأفضل في مقاومة القاذورات “.

لإظهار التطبيق العملي للتصميم، قام الفريق بعمل جهاز توضيحي يحتوي على 11 خلية تحليل كهربائي. قاموا باختباره باستخدام مياه البحر الحقيقية من خليج شينزين. عمل النظام على النحو المنشود دون فشل لأكثر من 130 يومًا، حيث أنتج 386 لترًا من الهيدروجين في الساعة.

يحاول الباحثون الآن تحسين كفاءة النظام. يقولون إنهم يستطيعون تحسين الأداء من خلال تجربة إلكتروليتات أخرى غير هيدروكسيد البوتاسيوم، ومواد مختلفة للأقطاب الكهربائية والمحفزات.

يقول شاو إنه يمكن استخدام أجهزتهم لإنتاج الهيدروجين مع استعادة الموارد المفيدة في الوقت نفسه مثل الليثيوم من الماء. ويمكن أن يمتد ليشمل تطبيقات أخرى غير إنتاج الهيدروجين، مثل تنظيف مياه الصرف الصناعي.