محفز جديد لتخزين غاز الهيدروجين

وبعد ملاحظة الطبيعة والاستلهام منها، استخدم الباحثون بروتينًا شائعًا لتوجيه تصميم مادة قادرة على تخزين غاز الهيدروجين بداخلها.

وبعد ملاحظة الطبيعة والاستلهام منها، استخدم الباحثون بروتينًا شائعًا لتوجيه تصميم مادة قادرة على تخزين غاز الهيدروجين بداخلها. وتعمل المادة الاصطناعية أسرع بعشر مرات من البروتين الأصلي الموجود في البكتيريا.

هذه الخطوة ليست سوى جزء واحد من سلسلة تفاعلات تهدف إلى تقسيم جزيء الماء لتكوين غاز الهيدروجين، لكن الباحثين لاحظوا أن النتائج تثبت أنهم قادرون على التعلم من الطبيعة كيفية التحكم في هذه التفاعلات من أجل تطوير محفزات اصطناعية مستقرة لتخزين الطاقة، على سبيل المثال لتطوير خلايا الوقود. بالإضافة إلى ذلك، فإن البروتين الطبيعي، وهو إنزيم، يتكون من معادن شائعة ورخيصة، وهي خاصية اعتمدها الباحثون. واليوم، تعتمد هذه المواد، التي تسمى المحفزات، على معادن ثمينة مثل البلاتين.

"هذا المحفز، الذي يعتمد على معدن النيكل، سريع للغاية"، كما يشير الباحث الرئيسي موريس بولوك من المختبر الوطني التابع لوزارة الطاقة الأمريكية. "إنه أسرع بحوالي مائة مرة من أسرع محفز معروف حتى الآن. ونحن نعلم من الطبيعة أنه سيكون من الممكن إنتاجه باستخدام معادن شائعة ورخيصة مثل النيكل أو الحديد."

الطاقة الكهربائية ليست سوى حركة الإلكترونات. هذه الإلكترونات مسؤولة أيضًا عن ربط الذرات معًا عندما ترتبط كيميائيًا ببعضها البعض في جزيئات مثل غاز الهيدروجين. يعد تحويل الإلكترونات إلى روابط كيميائية إحدى طرق تخزين الطاقة الكهربائية، وهي طريقة مهمة بشكل خاص لمصادر الطاقة المتجددة والمستدامة، مثل الطاقة الشمسية أو طاقة الرياح. إن تحويل الروابط الكيميائية مرة أخرى إلى كهرباء متدفقة، عندما لا تكون الشمس مشرقة أو عندما لا تهب الرياح، يسمح باستخدام الطاقة المخزنة، كما هو الحال في خلية الوقود التي تعمل بالهيدروجين. عادة يتم تخزين الإلكترونات في البطاريات، لكن الباحثين مهتمون بالاستفادة من التعبئة الضيقة المتوفرة في المواد نفسها.

"نحن مهتمون بتخزين الطاقة بأكثر الطرق الممكنة ضغطًا. "داخل الروابط الكيميائية، يمكن تخزين كمية هائلة من الطاقة في حجم فيزيائي صغير"، يوضح أحد الباحثين. تقوم الأنظمة البيولوجية بتخزين الطاقة في شكل مضغوط طوال الوقت. تستخدم النباتات عملية التمثيل الضوئي لتخزين طاقة الشمس في روابط كيميائية، والتي يستخدمها الإنسان عندما يستهلك الطعام؛ وتقوم البكتيريا الشائعة بتخزين الطاقة في الروابط الكيميائية لغاز الهيدروجين بمساعدة بروتين يعرف باسم الهيدروجيناز. وبما أن هذا الإنزيم الطبيعي لا يطيل العمر بقدر الإنزيمات الاصطناعية التي يصنعها الإنسان (على سبيل المثال، الورق مقابل البلاستيك)، فقد أراد الباحثون إخراج الجزء النشط من البروتين البيولوجي وإعادة تصميمه بهيكل كيميائي أكثر استقرارًا.

في هذه الدراسة، ركز العلماء على جزء صغير فقط من عملية تحلل الماء إلى غاز الهيدروجين، مثل التقديم السريع لنهاية الفيلم. ومن بين الخطوات العديدة، هناك خطوة حيث يرتبط المحفز بذرتي هيدروجين مأخوذتين من الماء.

يقوم المحفز بذلك عن طريق إزالة ذرات هيدروجين معينة تمامًا من مصدر هيدروجين مثل الماء وربطها ببعضها البعض. ونظرًا لبساطة ذرات الهيدروجين، فإن هذه المكونات عبارة عن بروتونات موجبة الشحنة وإلكترونات سالبة الشحنة. ويقوم المحفز بترتيب هذه المكونات في الاتجاه الصحيح حتى تتمكن من التفاعل مع بعضها البعض بالطريقة الأنسب. يوضح الباحث: "بروتونان وإلكترونان يساويان جزيءًا واحدًا من غاز الهيدروجين". في الحياة الواقعية، ستأتي البروتونات من جزيء الماء، ولكن بما أن الفريق نظر فقط إلى جزء من التفاعل، فقد استخدم الباحثون بدائل الماء مثل الأحماض لاختبار المحفز الخاص به.

ووفقا لآلية نشاط البروتين الطبيعي، يتضمن المحفز التجريبي مناطق تبرز خارج البنية المركزية ويكون دورها جذب البروتونات، وتسمى "الأمينات المعلقة". يقوم هذا الأمين المعلق بنقل البروتون إلى موضع عند طرف المحفز، بينما توفر ذرة النيكل الموجودة في مركز المحفز لذرة الهيدروجين إلكترونًا زائدًا. إن الهيدروجين الموجود في مجموعة الأمين يحمل شحنة موجبة، في حين أن ذرة النيكل تحمل ذرة هيدروجين سالبة الشحنة. نظرًا لوضعهما بالقرب من بعضهما البعض، فإن الجسيمين المشحونين بشكل معاكس ينجذبان إلى بعضهما البعض ويتحدان لتكوين جزيء غاز الهيدروجين.

ومع وضع هذه الخطة في الاعتبار، قام الفريق ببناء محفزات محتملة واختبارها. وفي محاولتهم الأولى، قاموا بربط مجموعة من الأمينات المتدلية حول قلب النيكل، معتقدين أنه كلما زاد عددها، كان ذلك أفضل. وعندما اختبروا هذا المحفز، وجدوا أنه لا يعمل بسرعة كبيرة. يشير تحليل الآلية التي قام المحفز من خلالها بتحريك البروتونات والإلكترونات إلى أن عددًا كبيرًا جدًا من مجموعات الأمينات المتدلية يتداخل مع التفاعل الكامل. يؤدي التركيز العالي جدًا للبروتونات إلى إبطاء التفاعل الذي ينتج غاز الهيدروجين. وبعد ذلك قام فريق الباحثين بإزالة عدد من المجموعات الموثوقة من المحفز وترك الحد الأدنى من العدد اللازم لنشاطه.

وعندما اختبر الباحثون المحفز الجديد، وجدوا أنه يعمل بشكل أفضل بكثير من المتوقع. في البداية قاموا باختبار المحفز في ظل ظروف لا يوجد فيها ماء على الإطلاق، وأنتج المحفز غاز الهيدروجين بمعدل 33000 جزيء في الثانية. وهذا المعدل أسرع بكثير من الإنزيم الطبيعي وهو 10000 جزيء في الثانية.

ومع ذلك، في معظم التطبيقات اليومية، يكون الماء موجودًا، لذلك أضافوا الماء إلى التفاعل لاختبار كيفية عمله. عمل المحفز بشكل أسرع ثلاث مرات وأنتج 100000 جزيء هيدروجين كل ثانية. ويعتقد الباحثون أن جزيء الماء قد يساعد عن طريق تحريك البروتونات إلى مواقع مفيدة في مجموعة الأمين، لكنهم ما زالوا يدرسون تفاصيل الآلية. وفي الوقت نفسه، فإن المحفز الجديد له عيب - فهو سريع، لكنه غير فعال. لدى الباحثين عدة أفكار حول كيفية زيادة الكفاءة. بالإضافة إلى ذلك، ستتطلب الأبحاث المستقبلية إعداد محفز قادر على تقسيم جزيء الماء بالإضافة إلى إنتاج غاز الهيدروجين.

أخبار الدراسة