محفز مبتكر لخلايا الوقود

خلايا الوقود غير المكلفة وخفيفة الوزن والمستقرة المعتمدة على حمض الفورميك قد تُحدث ثورة في سوق الإلكترونيات المحمولة

خلايا الوقود الرخيصة وخفيفة الوزن والمستقرة المعتمدة على حمض الفورميك قد تُحدث ثورة في سوق الأجهزة الإلكترونية المحمولة. أوضح الباحثون أن المحفز المبتكر الذي تم تطويره في معهد الكيمياء الفيزيائية التابع للأكاديمية البولندية للعلوم سيمكن من استخدامه على نطاق واسع في خلايا الوقود.

يكاد يكون من المستحيل العثور على مستهلك للأجهزة الإلكترونية المحمولة لا يخاف من مشاكل إمدادات الطاقة. تستنزف البطاريات بسرعة وتتطلب استبدالًا متكررًا أو شحنًا لفترة طويلة. خلايا الوقود (المصطلح في ويكيبيديا) سيكون قادرًا على تحسين راحة استخدام الأجهزة الإلكترونية بشكل كبير. ومن ناحية أخرى، تأخر تسويقها بسبب العديد من التحديات التكنولوجية. يمثل المحفز المبتكر الذي تم تطويره في معهد الكيمياء الفيزيائية التابع للأكاديمية البولندية للعلوم في وارسو علامة فارقة مهمة على الطريق لتوزيع خلايا وقود رخيصة الثمن وخفيفة الوزن وصديقة للبيئة ومستقرة تعتمد على حمض الفورميك.

خلية الوقود هي جهاز يحول الطاقة الكيميائية إلى كهرباء. يتم الحصول على الجهد مباشرة عن طريق حرق الوقود في وجود المحفزات الموجودة في القطبين الكهربائيين للخلية. "إن كفاءة التحويل النظري للطاقة الكيميائية إلى كهرباء في الخلايا قد تصل إلى مائة بالمائة. إن أفضل خلايا الوقود المتوفرة اليوم، والتي تعمل على حرق الهيدروجين، تصل كفاءتها العملية إلى 60% فقط. وللمقارنة، تصل كفاءة المحركات منخفضة الضغط إلى 20%"، كما يقول الدكتور أندريه بورودزينسكي، من معهد الكيمياء الفيزيائية التابع للأكاديمية البولندية للعلوم.

أكبر عقبة تواجه تسويق خلايا الهيدروجين على نطاق واسع هي تخزين الهيدروجين. وتبين أن الموضوع صعب للغاية من الناحية التكنولوجية وما زال ينتظر حلولاً مرضية. البديل لخلايا الوقود التي تعمل بالهيدروجين النقي هو خلية وقود تعتمد على الميثانول. ومع ذلك، فإن الميثانول مادة سامة ويجب أن تحتوي الخلايا التي تعمل بها على محفزات تعتمد على معدن البلاتين الثمين. وبالإضافة إلى ذلك، يتم الحصول على كمية منخفضة من الطاقة من خلايا الوقود المعتمدة على الميثانول، وهي تعمل في درجات حرارة عالية وخطيرة نسبياً تصل إلى حوالي تسعين درجة مئوية.

الحل البديل للميثانول الخطير هو حمض الفورميك. وفي هذه الحالة تتم التفاعلات في درجة حرارة الغرفة، وتكون كفاءة واستغلال هذه الخلايا أعلى بكثير من بديل الميثانول. علاوة على ذلك، فإن تخزين ونقل حمض الفورميك سهل. ومع ذلك، من أجل الحصول على خلايا الوقود المعتمدة على حمض الفورميك والتي يمكن الاعتماد عليها في عملها، هناك حاجة إلى محفز مستقر.

"إن المحفز الذي قمنا بتطويره له نشاط أولي أقل من المحفزات الموجودة التي تتكون من معدن البلاديوم النقي. إلا أن هذا الفارق اختفى بالنسبة له خلال ساعتين من بدء نشاطه، ومنذ ذلك الحين أصبح أفضل. ويظل المحفز الخاص بنا مستقرًا بمرور الوقت، بينما يتلاشى نشاط المحفزات النقية القائمة على البلاديوم بمرور الوقت.

وهناك ميزة أخرى للمحفز المطور، والتي لها أهمية خاصة من الناحية الاقتصادية، وهي قدرته على الحفاظ على خصائصه أثناء العمل في حمض الفورميك منخفض النقاء. ويمكن إنتاج حمض الفورميك بكميات كبيرة، حتى من الكتلة الحيوية، بحيث يكون الوقود اللازم لهذه الخلايا رخيصًا جدًا. سيكون حمض الفورميك الناتج من الكتلة الحيوية بمثابة وقود صديق للبيئة تمامًا. التفاعل الذي يحدث مع حمض الفورميك في خلايا الوقود يؤدي إلى استقبال الناتج الماء وثاني أكسيد الكربون. في الواقع، ثاني أكسيد الكربون هو أحد الغازات الدفيئة، ولكن يتم الحصول على الكتلة الحيوية نفسها من النباتات التي تستخدم ثاني أكسيد الكربون لنموها. ونتيجة لذلك، فإن حمض الفورميك الذي يتم الحصول عليه من الكتلة الحيوية والمستهلك في خلايا الوقود لن يحدث تغييرا في توازن ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي.

يمكن أن يكون لخلايا الوقود المعتمدة على حمض الفورميك العديد من التطبيقات. وستكون مناسبة بشكل خاص للأجهزة الإلكترونية المحمولة - الهواتف المحمولة أو أجهزة الكمبيوتر المحمولة أو الأجهزة المعتمدة على نظام تحديد المواقع العالمي (GPS). بالإضافة إلى ذلك، سيكون من الممكن تركيبها كمصادر لإمدادات الطاقة في المركبات، من الكراسي المتحركة إلى الدراجات الكهربائية إلى اليخوت. ويتوقع الباحثون أن النموذج الأولي لجهاز تجاري يعتمد على خلايا وقود حمض الفورميك سيكون جاهزًا في غضون بضع سنوات.
أخبار الدراسة