قام باحثون من جامعة هيوستن بإعداد شكل جديد من البلاتين، والذي يمكن استخدامه لصنع خلايا وقود أكثر كفاءة وأقل تكلفة. ويمكن لهذه العملية، التي تم وصفها في المجلة العلمية Nature Chemistry، أن تساعد في توسيع نطاق تطبيقات خلايا الوقود، وهي الأجهزة التي تنتج طاقة خالية من الانبعاثات من الهيدروجين.
تحمل خلايا الوقود وعدًا كبيرًا للطاقة النظيفة نظرًا لأن منتجها الثانوي الوحيد هو الماء. ومع ذلك، فإن النماذج الحالية من خلايا الوقود تتطلب حوالي 100 جرام من البلاتين، مما يزيد من تكلفتها إلى آلاف الدولارات.
ومن خلال ضبط نشاط البلاتين، تمكن الباحثون من تقليل الكمية المطلوبة منه بنسبة ثمانين بالمائة، ويأملون في تقليلها بنسبة عشرة بالمائة أخرى، مما سيؤدي إلى انخفاض خطير في السعر الإجمالي لخلايا الوقود.
تعمل خلايا الوقود بشكل مشابه للبطاريات، حيث يوفر الأنود الإلكترونات ويستقبلها الكاثود في الطرف الآخر من الدائرة الكهربائية. ومع ذلك، على عكس البطاريات، تستخدم خلايا الوقود الهيدروجين والأكسجين لدفع تفاعلات توليد الطاقة الخاصة بها؛ عندما يصل الأكسجين المذاب إلى معدن الكاثود، ينقسم إلى ذرتين قبل أن يشكلا الماء عن طريق التفاعل مع الهيدروجين.
يعد نوع المعدن المختار للكاثود في غاية الأهمية، نظرًا لأن بعض المعادن تفشل في تحطيم ذرة الأكسجين، بينما يرتبط البعض الآخر بها بقوة شديدة، وبالتالي يمنع التفاعل المطلوب. يبحث العلماء العاملون في هذا المجال عن "نقطة التوازن" - وهي الحالة التي يوجد فيها أكبر عدد ممكن من روابط الأكسجين المكسورة وأضعف رابط ممكن مع المحفز. وحقق الباحثون هذا الهدف باستخدام البلاتين، فهو نشط بدرجة كافية لكسر الروابط في جزيء الأكسجين، لكنه لا يرتبط بذرات الأكسجين الحرة بقوة. ولسوء الحظ، فإن تكلفتها مرتفعة وتجعل خلايا الوقود المصنوعة من البلاتين باهظة الثمن للغاية.
في عام 2005، بدأ الباحث بيتر ستراسر من جامعة هيوستن بالبحث عن حلول لإشكالية استخدام البلاتين، ليس عن طريق استبداله بالكامل كما حاول باحثون آخرون، ولكن عن طريق زيادة نشاطه الكيميائي.
ولتحقيق هذه الغاية، استخدم الباحثون عملية تعرف باسم "الترشيح الانتقائي" (التصفية، والترشيح الانتقائي، دخول ويكيبيديا). في الخطوة الأولى، قاموا بخلط البلاتين مع كميات متفاوتة من النحاس لإنشاء سبائك النحاس والبلاتين. وفي الخطوة التالية، قاموا بإزالة النحاس من سطح السبيكة. وعندما اختبروا خصائص الارتباط لهذه السبائك المعالجة، وجدوا أنها أكثر نشاطًا بكثير من البلاتين الأصلي.
ولفهم سبب حدوث ذلك، قام الباحثون بفحص عينات من هذه المواد تحت شعاع قوي من الأشعة السينية. ومن خلال فحص الطريقة التي تنتشر بها الأشعة من عينات المواد، تمكن الباحثون من الحصول على صورة مفصلة للبنية الداخلية للمعدن، وكشفوا أن النشاط المتزايد ينشأ من إجهاد الشبكة - وهي ظاهرة يتم فيها الترتيب تتغير ذرات البلاتين. ومن خلال الضغط على ذرات سطح البلاتين وضغطها معًا بشكل أكبر، تؤدي العملية إلى تفاعل الذرات مع ذرات الأكسجين بدرجة أضعف وتقرب الباحثين من نقطة التوازن المطلوبة.
يوضح الباحث الرئيسي أن "المسافة بين ذرتين متجاورتين تؤثر على خصائصهما الإلكترونية". "من خلال تغيير المسافة بين الذرات يمكننا التحكم في مدى ارتباطها."
الخطوة التالية للباحثين هي استخدام طريقة الأشعة السينية للحصول على معلومات أكثر تفصيلاً حول التفاعل بين ذرات الأكسجين وذرات البلاتين، وتحديد ما يمكن القيام به لتحسين العملية بشكل أكبر. الهدف النهائي هو إيجاد بديل محتمل ليس فقط لمحركات البنزين ولكن أيضًا للبطاريات الموجودة في الأجهزة الإلكترونية الصغيرة.
تعليقات 2
يمكن الإجابة على شيئين حول هذا الموضوع
1. يتم التخلص من الملوثات المنبعثة من محطة توليد الكهرباء التي تعمل بالفحم بشكل أفضل من تلك المنبعثة من الفضاءات. في مثل هذه المحطة لتوليد الطاقة تتم معالجة الجزيئات وأكاسيد الكبريت والنيتروجين، وهناك أيضًا خطط لالتقاط ثاني أكسيد الكربون ودفنه في البحر - وهذه الأشياء لا يتم تنفيذها في المركبات اليوم.
2. يمكن إنتاج الهيدروجين ليلاً، لذلك يقل الطلب على الكهرباء ويضيع جزء كبير منه ليلاً، لذلك هناك فرصة للتوفير هنا في خلق الغازات الدفيئة.
3. إذا تم إنتاج الكهرباء من مصدر للطاقة المتجددة، فلا توجد مساهمة حقيقية في خلق الغازات الدفيئة.
غاز الهيدروجين ليس حراً في الغلاف الجوي، يجب فصله عن الماء، هذه العملية تستهلك كميات كبيرة من الكهرباء، معظم الكهرباء في العالم يتم إنتاجها من الفحم والغاز الطبيعي، لذلك سيتم بناء محطات توليد الكهرباء لإنتاج الكهرباء، معظمها والتي تستهلك الفحم وستكون مساهمتها في الحد من الغازات الدفيئة هامشية.