تقدم واعد في تكنولوجيا خلايا الوقود

لقد نجح الكيميائيون في ماوي براون في إعداد نظام فريد من نوعه من الجسيمات النانوية والقشرة التي تستخدم كمية أقل بكثير من البلاتين وما زالت تعمل بكفاءة ومستمرة

يعد تحضير المحفزات القادرة على العمل مع مرور الوقت وبكفاءة عائقًا خطيرًا أمام نقل تكنولوجيا خلايا الوقود من طاولة المختبر إلى خط الإنتاج. وكان المعدن الثمين البلاتين هو اختيار العديد من الباحثين في هذا المجال، ولكن لهذا المعدن عيبين مهمين: فهو غالي الثمن، ويفقد نشاطه مع مرور الوقت في تفاعلات خلية الوقود.

وفي دراسة جديدة، أعلن الكيميائيون في جامعة براون عن تقدم واعد في هذا المجال. لقد تمكنوا من إعداد نظام فريد من نوعه من الجسيمات النانوية والقشرة التي تستخدم كمية أقل بكثير من البلاتين وما زالت تعمل بكفاءة واستدامة أكبر من المحفزات البلاتينية المتوفرة تجاريًا.

إن الكيمياء الموجودة في قلب خلية الوقود، والمعروفة باسم تفاعل الأكسدة والاختزال للأكسجين، والذي يحدث عند كاثود الخلية، تنتج الماء باعتباره المادة "النفايات" الوحيدة وليس غاز ثاني أكسيد الكربون الدفيئة، الذي يتم تكوينه في البيئة الداخلية. أنظمة الاحتراق.

كما أن الكاثود مسؤول أيضا عن فقدان كفاءة الخلية بما يصل إلى أربعين بالمئة منها، لذلك "هذه خطوة أساسية في إعداد خلايا الوقود التي تكون أكثر قدرة على المنافسة من محركات الاحتراق الداخلي والبطاريات"، كما قال الباحث شوهينغ صن. أستاذ الكيمياء بجامعة براون وأحد مؤلفي الورقة التي تصف البحث، مقال منشور في المجلة العلمية Journal of the American Chemical Society.

وقام الفريق البحثي بتحضير نواة البلاديوم بحجم خمسة نانومترات وأحاطها بقشرة مكونة من الحديد والبلاتين (FePt). ويوضح الباحث أن الحيلة كانت تتمثل في تصميم غلاف يحافظ على بنيته ويتطلب أيضًا أقل كمية ممكنة من البلاتين للحصول على التفاعل الكيميائي المطلوب. قام الفريق بإعداد الغلاف الحديدي والبلاتيني عن طريق تحلل الحديد-خماسي الكربونيل[Fe(CO)5] وتقليل البلاتين-أسيتيل أسيتون [Pt(acac)2]، وهي طريقة أبلغ عنها الباحث الرئيسي في عام 2000 في مجلة Science. وكانت النتيجة عبارة عن غلاف يستخدم ثلاثين بالمائة فقط من الكمية الأولية من البلاتين، على الرغم من أن الباحثين يقولون إنهم يتوقعون أن يكونوا قادرين على صنع أصداف أرق تستخدم كمية أقل من البلاتين.

أثبت الباحثون لأول مرة على الإطلاق أنهم قادرون على إعداد هياكل فريدة من نوعها بشكل مستمر. في التجارب المعملية، أنتجت الجسيمات النانوية لنظام البلاديوم/الحديد والبلاتين تيارًا أكبر 12 مرة من التيار الذي تم الحصول عليه في الأنظمة التي تستخدم محفزات تجارية مكونة فقط من البلاتين بنفس وزن المحفز.

يظل الناتج أيضًا ثابتًا بعد 10,000 دورة، أي ما لا يقل عن عشر مرات أكثر من أنظمة البلاتين المتاحة تجاريًا والتي تبدأ في فقدان نشاطها المرغوب بعد 1000 دورة فقط. وصنع الباحثون قذائف من الحديد والبلاتين تراوحت أحجامها من واحد إلى ثلاثة نانومتر. وفي التجارب المعملية، وجد الباحثون أن المغلفات بحجم نانومتر واحد تعمل بشكل أفضل.

يشير الباحث إلى أن "هذا دليل جيد جدًا على أن المحفزات التي تتكون من نواة وقشرة يمكن تحضيرها بسهولة بكميات نصف جرام في المختبر، وأنها نشطة ومتينة بمرور الوقت". "الخطوة التالية هي إنتاجها على نطاق تجاري ونحن مقتنعون بأننا قادرون على القيام بذلك."

يحاول الباحثون فهم سبب تمكن نواة البلاديوم من زيادة القدرات التحفيزية للقشرة الحديدية والبلاتينية، ويعتقدون حاليًا أن الأمر يتعلق بنقل الإلكترونات بين معادن النواة والقشرة. ويحاولون حاليًا استخدام معادن أكثر نشاطًا كيميائيًا من البلاديوم كنواة للنظام للتحقق من أن انتقال الإلكترونات بين القلب والقشرة هو بالفعل العامل الذي يؤثر على عمل المحفز.

الخبر من الجامعة