تعمل الهياكل النانوية للإيريديوم المصممة خصيصًا والمترسبة على أكسيد التنتالوم المسامي على تعزيز الموصلية والنشاط التحفيزي والاستقرار على المدى الطويل.
صورة: طوّر باحثون في كوريا الجنوبية والولايات المتحدة محفزًا جديدًا من الإيريديوم يتميز بنشاط تفاعلي مُعزز لإنتاج الأكسجين، مما يُسهّل عملية التحليل الكهربائي للماء باستخدام غشاء تبادل البروتونات لإنتاج الهيدروجين بكفاءة عالية من حيث التكلفة. للمزيد من المعلومات
تتزايد احتياجات العالم من الطاقة باستمرار. ويُعدّ الهيدروجين القابل للنقل مصدرًا واعدًا في سعينا لإيجاد حلول طاقة نظيفة ومستدامة. وفي هذا السياق، حظيت أجهزة التحليل الكهربائي للماء ذات غشاء تبادل البروتونات (PEMWEs)، التي تحوّل الطاقة الكهربائية الزائدة إلى طاقة هيدروجين قابلة للنقل عبر التحليل الكهربائي للماء، باهتمام كبير. إلا أن تطبيقها على نطاق واسع في إنتاج الهيدروجين لا يزال محدودًا نظرًا لبطء معدل تفاعل إطلاق الأكسجين (OER)، وهو عنصر أساسي في عملية التحليل الكهربائي، بالإضافة إلى محدودية استخدام محفزات أكسيد المعادن باهظة الثمن، مثل أكسيد الإيريديوم (Ir) وأكسيد الروثينيوم، في الأقطاب الكهربائية. لذا، يُعدّ تطوير محفزات OER فعّالة من حيث التكلفة وعالية الأداء ضروريًا لتوسيع نطاق استخدام أجهزة التحليل الكهربائي للماء ذات غشاء تبادل البروتونات.

طوّر فريق بحثي كوري أمريكي، بقيادة البروفيسور تشانغهو بارك من معهد غوانغجو للعلوم والتكنولوجيا في كوريا الجنوبية، مؤخرًا محفزًا جديدًا من الإيريديوم النانوي، قائمًا على أكسيد التنتالوم المسامي (Ta2O5)، وذلك باستخدام طريقة محسّنة لاختزال حمض الفورميك، بهدف تحقيق تحليل كهربائي فعال للماء باستخدام غشاء تبادل البروتونات (PEM). نُشرت نتائج بحثهم إلكترونيًا في 20 مايو 2023، وسيُنشر في المجلد 575 من مجلة مصادر الطاقة في 15 أغسطس 2023. شارك في تأليف الدراسة الدكتور تشايكيونغ بايك، الباحث في المعهد الكوري للعلوم والتكنولوجيا (KIST).
أوضح البروفيسور بارك قائلاً: "تتوزع بنية الإيريديوم النانوية الغنية بالإلكترونات بشكل متجانس على ركيزة مستقرة من أكسيد التنتالوم المسامي المتوسط، المُحضّرة باستخدام طريقة القالب الناعم مع عملية الإحاطة بالإيثيلين ديامين، مما يقلل بشكل فعال محتوى الإيريديوم في بطارية PEMWE الواحدة إلى 0.3 ملغم/سم²". ومن الجدير بالذكر أن التصميم المبتكر لمحفز Ir/Ta₂O₅ لا يُحسّن فقط من استخدام الإيريديوم، بل يتميز أيضاً بموصلية أعلى ومساحة سطح نشطة كهروكيميائياً أكبر.
بالإضافة إلى ذلك، كشفت مطيافية الفوتونات الإلكترونية بالأشعة السينية ومطيافية امتصاص الأشعة السينية عن تفاعلات قوية بين المعدن والدعامة بين الإيريديوم والتنتالوم، بينما تشير حسابات نظرية الكثافة الوظيفية إلى انتقال الشحنة من التنتالوم إلى الإيريديوم، مما يؤدي إلى ارتباط قوي للمواد الممتزة مثل الأكسجين والهيدروكسيل، ويحافظ على نسبة الإيريديوم الثلاثي أثناء عملية الأكسدة خارج السطح. وهذا بدوره يؤدي إلى زيادة نشاط Ir/Ta2O5، الذي يتميز بجهد زائد أقل يبلغ 0.385 فولت مقارنةً بـ 0.48 فولت لـ IrO2.
أثبت الفريق تجريبياً النشاط العالي للمحفز في تفاعل أكسدة الماء، حيث لوحظ جهد زائد قدره 288 ± 3.9 ملي فولت عند كثافة تيار 10 ملي أمبير/سم²، ونشاط كتلي مرتفع بشكل ملحوظ للإيريديوم بلغ 876.1 ± 125.1 أمبير/غرام عند جهد 1.55 فولت، مقارنةً بالقيمة المقابلة للسيد بلاك. في الواقع، يُظهر Ir/Ta₂O₅ نشاطاً واستقراراً ممتازين في تفاعل أكسدة الماء، وهو ما تأكد أيضاً من خلال تشغيل خلية واحدة لأكثر من 120 ساعة باستخدام مجموعة غشاء-قطب كهربائي.
تتميز الطريقة المقترحة بميزة مزدوجة تتمثل في خفض مستوى الحمل (Ir) وزيادة كفاءة تفاعل أكسدة الماء (OER). ويشير البروفيسور بارك، بتفاؤل، إلى أن "زيادة كفاءة تفاعل أكسدة الماء تُكمّل فعالية التكلفة لعملية PEMWE، مما يُحسّن أداءها العام. وقد يُحدث هذا الإنجاز ثورة في تسويق عملية PEMWE ويُسرّع من اعتمادها كطريقة رئيسية لإنتاج الهيدروجين".

بشكل عام، هذا التطور يقربنا من تحقيق حلول نقل طاقة الهيدروجين المستدامة وبالتالي تحقيق وضع الحياد الكربوني.
نبذة عن معهد غوانغجو للعلوم والتكنولوجيا (GIST): معهد غوانغجو للعلوم والتكنولوجيا (GIST) جامعة بحثية تقع في مدينة غوانغجو، كوريا الجنوبية. تأسس المعهد عام ١٩٩٣، وسرعان ما أصبح من أعرق الجامعات في كوريا الجنوبية. يلتزم المعهد بتوفير بيئة بحثية متطورة تُعزز نمو العلوم والتكنولوجيا، وتُشجع التعاون بين المشاريع البحثية الدولية والمحلية. وانطلاقًا من شعاره "صناع المستقبل في العلوم والتكنولوجيا"، يُصنف معهد غوانغجو للعلوم والتكنولوجيا باستمرار ضمن أفضل الجامعات في كوريا الجنوبية.
نبذة عن المؤلفين: يشغل الدكتور تشانغهو بارك منصب أستاذ في معهد غوانغجو للعلوم والتكنولوجيا (GIST) منذ أغسطس 2016. قبل انضمامه إلى المعهد، شغل منصب نائب رئيس شركة سامسونج إس دي آي، وحصل على درجة الماجستير من معهد سامسونج للإلكترونيات (SAIT). حصل على شهادات البكالوريوس والماجستير والدكتوراه من قسم الكيمياء في المعهد الكوري للعلوم والتكنولوجيا، في الأعوام 1990 و1992 و1995 على التوالي. يركز بحثه الحالي على تطوير مواد حفزية لتجميعات أقطاب الأغشية في خلايا الوقود والتحليل الكهربائي باستخدام الكربون النانوي ودعامات أكسيد المعادن المختلطة. نشر 126 بحثًا علميًا وحصل على 227 براءة اختراع في مجال تخصصه.
الدكتور تشايكيونغ بايك باحث في المعهد الكوري للعلوم والتكنولوجيا (KIST). يشارك في تطوير محفزات تفاعل أكسدة الماء (OER) وتفاعل أكسدة أحادي إيثانول أمين (MEA) باستخدام تقنية PEMWE، ويركز حاليًا على المحفزات والأجهزة المستخدمة في تفاعلات أكسدة الأمونيا. قبل انضمامه إلى المعهد الكوري للعلوم والتكنولوجيا عام 2023، حصل تشايكيونغ بايك على درجة الدكتوراه في تكامل الطاقة من معهد غوانغجو للعلوم والتكنولوجيا.
يمكن للبنية النانوية الإيريدية المسامية المدعومة بـ Ta2O5 الغني بالإلكترونات أن تعزز نشاط واستقرار تفاعل تطور الأكسجين.
يصرح المؤلفون بأنه ليس لديهم أي مصالح مالية متضاربة معروفة أو علاقات شخصية قد تؤثر على العمل المقدم في هذه المقالة.
إخلاء المسؤولية: لا تتحمل الجمعية الأمريكية لتقدم العلوم (AAAS) وموقع EurekAlert! مسؤولية دقة البيانات الصحفية المنشورة على موقع EurekAlert! أو أي استخدام للمعلومات من قبل منظمة مشاركة أو من خلال نظام EurekAlert.

إذا كنت ترغب في الحصول على مزيد من المعلومات، يرجى إرسال بريد إلكتروني إليّ.
بريد إلكتروني:
info@pulisichem.cn
هاتف:
+86-533-3149598