سيسمح المحفز الجديد باستخدام الهيدروجين كوقود نظيف

قام علماء من وزارة الطاقة الأمريكية بدمج الدراسات النظرية والتجريبية لتحديد خصائص المحفز - وهو تراكم ذرات الروديوم والبورون وعناصر أخرى تسمح بإطلاق الهيدروجين لاستخدامه في خلايا الوقود

من أجل استخدام الهيدروجين كمصدر للطاقة النظيفة، يهتم بعض المهندسين بدمج الهيدروجين داخل خلايا أكبر، بدلاً من ضغط الغاز في خزان. يتم إطلاق الغاز من الخزان بسهولة، ولكن من أجل إطلاق الهيدروجين من الكبسولة الأكبر، هناك حاجة إلى محفز. الآن، اكتشف الباحثون تفاصيل جديدة حول أحد هذه المحفزات. تعتبر هذه النتائج خطوة أخرى في تطوير المحفزات لتطبيقات الطاقة الهيدروجينية، مثل خلايا الوقود.

قام علماء من وزارة الطاقة الأمريكية بدمج الدراسات النظرية والتجريبية لتحديد خصائص المحفز - تراكم ذرات الروديوم والبورون وعناصر أخرى. ويتفاعل المحفز كيميائيًا مع مادة بوران الأمونيا، وهو مركب يخزن الهيدروجين بطريقة كثيفة، ليطلق غاز الهيدروجين. ونشرت النتائج التي توصلوا إليها، والتي تكشف عن العديد من التفاصيل الجزيئية حول هذا التفاعل التحفيزي، في عدد أغسطس من مجلة الجمعية الكيميائية الأمريكية.

يقول الكيميائي ومؤلف المقال روجر روسو: "تكشف لنا هذه التجارب ما هي المرحلة الأكثر تعقيدًا في التفاعل الكيميائي". "إذا تمكنا من إيجاد طريقة لتغيير هذه الخطوة الإشكالية، أي إطلاق الهيدروجين بسهولة أكبر، فيمكننا تحسين هذا المحفز."

يحاول الباحثون والمهندسون إنشاء نظام وقود الهيدروجين الذي يخزن الهيدروجين بأمان ويطلقه بسهولة، وهو نظام يمكن استخدامه في خلايا الوقود أو تطبيقات مماثلة.

إحدى الطرق لتحقيق نظام الوقود هذا هي تخزين الهيدروجين كجزء من خلية وقود أكبر. الجزء الذي يحتوي على ذرات الهيدروجين، في حالتنا، بوران الأمونيا، يعمل كنوع من الدعم الهيكلي. يقوم المحفز بإطلاق الهيدروجين من بوران الأمونيا عند الحاجة لاستخدام الطاقة المخزنة فيه.

اختبر الباحثون محفزًا قائمًا على الروديوم يؤدي هذا النشاط بسهولة إلى حد ما، لكن لا يزال أمامه مجال للتحسين. أظهر عملهم الأولي أن المحفز يعمل كجسيم يتكون من نواة من أربع ذرات روديوم مرتبة في هيكل رباعي السطوح، أو هرم ثلاثي، حيث تحتوي كل زاوية على ذرة بورون وذرة أخرى. ومع ذلك، يمكن لذرات الروديوم والعناصر الأخرى ترتيب نفسها في عشرات من التكوينات المختلفة في الذرة.

لم تكن هذه التفاصيل كافية لإجراء تحسينات - فقد أراد الباحثون معرفة البنية الدقيقة للمحفز، من بين جميع الهياكل المحتملة، بالإضافة إلى كيفية عمل الذرات المختلفة معًا "لتمزيق" ذرات الهيدروجين من بوران الأمونيا. . ولهذا السبب، كان مطلوبًا من الباحثين الجمع بين النتائج التجريبية والنظرية، نظرًا لعدم نجاح أي طريقة منفردة.

في البداية، قام الباحثون بمراقبة تفاعل المحفز مع بوران الأمونيا باستخدام عدة طرق. ومن أهمها طريقة أقل شهرة تسمى XAFS، حيث يمكن الحصول على صور الأشعة السينية للمحفز أثناء نشاطه. كانت المعلومات المستمدة من الأنواع المختلفة من التجارب بمثابة قطع من اللغز كان على الباحثين أن يجمعوها معًا. ولتحقيق هذه الغاية، استخدم الباحثون نماذج حاسوبية لبناء تكوين جزيئي نظري يناسب جميع المعلومات التي تم جمعها. ومن هذه النماذج تم الحصول على الهيكل الأنسب لجميع المعلومات التي تم جمعها. ومن أجل فحص موثوقية البنية التي تم الحصول عليها، أجرى الباحثون عمليات محاكاة حاسوبية باستخدام طريقة XAFS لتفاعل هذه البنية مع بوران الأمونيا. وفي الخطوة التالية، قاموا بمقارنة المعلومات التي تم الحصول عليها من عمليات المحاكاة هذه مع المعلومات التجريبية التي تم جمعها لنشاط المحفز. كانت مجموعتا البيانات متطابقتين إلى حد كبير، مما يشير إلى أن البنية التي وصفتها تتطابق بشكل وثيق مع البنية الحقيقية.

وسمحت الطبيعة الكيميائية للهيكل، إلى جانب المعلومات التجريبية الإضافية، للباحثين بوصف آلية التفاعل الكيميائي الذي يحدث بين المحفز وبوران الأمونيا. تشير النتائج إلى أن المحفز النشط "يحصد" الهيدروجين من مواقع محددة في منتج بوران الأمونيا - ذرات النيتروجين التي تحمل ذرتي هيدروجين عليها. أولاً، يستخرج المحفز هيدروجينًا واحدًا. هذا هو الجزء الأكثر تعقيدًا في التفاعل، كما يشير الباحث الرئيسي، وهو يجعل الروابط بين ذرات الهيدروجين والبورون المتبقية غير مستقرة. ونتيجة لذلك تطلق الذرة ذرة هيدروجين أخرى لتثبيتها، وتنضم هذه الذرة إلى ذرة الهيدروجين التي تم إطلاقها بالفعل للحصول على ذرة الهيدروجين (H2) التي تنطلق على شكل غاز، ويمكن استخدامها في المحركات أو خلايا الوقود في المستقبل.

يقول الباحث الرئيسي إنه لا يزال هناك المزيد من التفاصيل التي يحتاج الباحثون إلى جمعها، ولكن هذا البحث يمثل بالفعل خطوة مهمة نحو تطوير محفز فعال وغير مكلف.

الأخبار من معهد البحوث