ملخص: طور الفريق نظامًا كهربائيًا أقل تكلفة للمياه يعمل في الظروف القلوية ولكنه لا يزال ينتج الهيدروجين بمعدلات مماثلة للنظام المستخدم حاليًا والذي يعمل في الظروف الحمضية ويتطلب معادن ثمينة. هذا التقدم يخفض تكلفة تكنولوجيا تقسيم المياه، مما يوفر طريقة أكثر فاعلية لتخزين الطاقة من الطاقة الشمسية وطاقة الرياح في شكل وقود الهيدروجين.

يوفر استخدام الطاقة الشمسية وطاقة الرياح عندما تكون متاحة لتقسيم المياه، وهي عملية تستخدم الكهرباء لتقسيم H2O إلى هيدروجين وأكسجين، طريقة لتخزين الطاقة في شكل وقود هيدروجين.

يعتمد حاليًا النظام الأكثر شيوعًا المستخدم لتقسيم المياه أو التحليل الكهربائي للمياه على المعادن الثمينة كمحفزات، ولكن فريق بحث تعاوني، بما في ذلك علماء من مختبر لوس ألاموس (Los Alamos National Laboratory) الوطني وجامعة ولاية واشنطن، طور نظامًا يستخدم أقل تكلفة وأكثر وفرة للمواد. وهي تصف ورقة نشرت في Nature Energy في 9 مارس.

قال يو سونغ كيم (Yu Seung Kim)، عالم الأبحاث في مختبر لوس ألاموس الوطني، “إن نظام التحليل الكهربائي للمياه الحالي يستخدم محفزًا مكلفًا للغاية. وفي نظامنا، نستخدم محفزًا أساسه الحديد والنيكل، وهو أرخص بكثير، ولكن أدائها مقارب للأكثر تكلفة”.

يتم إجراء معظم تقسيم المياه اليوم باستخدام قطعة من المعدات تسمى محلل كهربائي لغشاء تبادل البروتون، والذي يولد الهيدروجين بمعدل إنتاج مرتفع. إنها باهظة الثمن ، وتعمل في ظل ظروف حمضية للغاية ، وتتطلب محفزات المعادن الثمينة مثل البلاتين والإيريديوم (platinum and iridium) وكذلك الألواح المعدنية المقاومة للتآكل المصنوعة من التيتانيوم (titanium).

شكل يوضح طريقة إنقسام جزء المياه بالطريقة القديمة. DOI: 10.1016/j.fuel.2018.02.068

عمل فريق البحث على حل هذه المشكلة عن طريق تقسيم الماء تحت ظروف قلوية أو قاعدية، باستخدام محلل كهربائي بغشاء تبادل أنيون. لا يحتاج هذا النوع من المحلل الكهربائي إلى محفز يعتمد على المعادن الثمينة. في الواقع، قام فريق بقيادة Yuehe Lin، الأستاذ في كلية الهندسة الميكانيكية وهندسة المواد في WSU، بإنشاء محفز يعتمد على النيكل والحديد، وهي عناصر أقل تكلفة وأكثر وفرة في البيئة.

DOI: 10.1038/s41560-020-0577-x

شارك فريق Lin تطورهم مع Kim في Los Alamos، الذي قام فريقه بدوره بتطوير رابط القطب لاستخدامه مع المحفز. القطب الكهربائي هو بوليمر موصل هيدروكسيد يربط المحفزات ويوفر بيئة درجة حموضة عالية للتفاعلات الكهروكيميائية السريعة.

أدى الجمع بين غلاف الإلكترود الذي تم تطويره في Los Alamos ومحفز WSU إلى تعزيز معدل إنتاج الهيدروجين إلى ما يقرب من عشرة أضعاف معدل المحلل الكهربائي لغشاء تبادل الأنيون السابق، مما يجعله قابلاً للمقارنة مع محلل غشاء التبادل البروتوني الأكثر تكلفة.

وفقًا لوزارة الطاقة الأمريكية: يتم إنتاج حوالي 10 مليون طن متري من الهيدروجين حاليًا في الولايات المتحدة كل عام، ومعظمها باستخدام الغاز الطبيعي في عملية تسمى إصلاح الغاز الطبيعي. وقال لين إن الهيدروجين المنتج من عملية تقسيم المياه التي تعمل بالطاقة الكهربائية من الطاقة المتجددة يحمل العديد من الفوائد الاقتصادية والبيئية.

وقال لين “إن تقسيم المياه هو تقنية نظيفة، لكنك تحتاج إلى الكهرباء للقيام بذلك”. “لدينا الآن الكثير من الطاقة المتجددة والرياح والطاقة الشمسية، لكنها متقطعة. على سبيل المثال، في الليل لا يمكننا استخدام الطاقة الشمسية، ولكن إذا كان بإمكاننا خلال النهار استخدام طاقة إضافية لتحويلها إلى شيء آخر مثل الهيدروجين، هذا شئ مبشر جدًا “.

من المتوقع أن يصل سوق توليد الهيدروجين العالمي إلى 199.1 مليار دولار بحلول عام 2023. تشمل الأسواق المحتملة للطاقة الهيدروجينية كل شيء، من تحويل الطاقة الشامل وإدارة شبكة الطاقة إلى خلايا الوقود للسيارات. يقدر لين أن هناك ما يقرب من 600 مزرعة رياح في الولايات المتحدة جاهزة للاتصال المباشر بأنظمة التحليل الكهربائي للمياه.

المصدر:هـــنا ،  هـــنا