في خطوة جديدة نحو إيجاد مصدر للطاقة النظيفة فريق بحثي بالجامعة يبتكر تقنية واعدة لإنتاج الهيدروجين من الماء

يعد غاز الهيدروجين من العناصر الغنية بالطاقة، كما أنه من أكثر العناصر توافُرًا في الطبيعة؛ فهو يتوافر بكثرة في الماء والمركبات العضوية والهيدروكربونية.

كما يعتبر الهيدروجين عنصراً هاماً للعديد من العمليات البتروكيماوية ، ومن المتوقع أن تتجاوز قيمته في السوق العالمية 180 مليار دولار بحلول عام 2024 . في عام 2015 ، كانت حصة المملكة من سوق الهيدروجين تصل إلى أكثر من 3 مليارات دولار ، ومن المرجح أن تنمو بحوالي 5٪ بحلول عام 2024.

ويُعوَّل على استخدام غاز الهيدروجين كوقود نظيف، إذ إن احتراقه ينتج عنه بخار الماء، ولذلك، يعد صديقاً للبيئة، بالإضافة إلى أنه أكثر كفاءة، فمقدار الطاقة التي ينتجها كيلوجرام واحد من الوقود الهيدروجيني يعادل الطاقة التي تنتج عن 2.8 كيلوجرام من وقود الجازولين الأحفوري الملوِّث للبيئة.

تكمن معضلة الهيدروجين في عدم وجوده بشكل غاز منفرد، ويعد استخلاصه من المركبات التي يتوافر فيها تحدياً كبيراً ، فمعظم الطرق المتبعة حالياً لا تعد ناجعة (من ناحية اقتصادية وبيئية).

وأشهر هذه الطرق إنتاج غاز الهيدروجين من غاز الميثان الموجود في الغاز الطبيعي - وتسمى هذه العملية " إصلاح الميثان بالبخار "، حيث أنها مكلفة و تستهلك الوقود الأحفوري، و ينتج عنها انبعاثات لغاز ثاني أكسيد الكربون الضار للبيئة.

ولذلك ، فإن تطوير عملية مستدامة وصديقة للبيئة لإنتاج كميات كبيرة من الهيدروجين بدون انبعاثات ثاني أكسيد الكربون سيكون ذا أهمية كبيرة للصناعات المحلية.

ويعمل فريق من الباحثين بالجامعة حالياً على مشروع بحثي مبتكر يهدف إلى تطوير أقطاب كهربائية ذات بنية نانوية عالية الكفاءة ومستقرة وعالية الأداء تستخدم في التحليل الكهربائي لإنتاج الهيدروجين من الماء ، وكذلك لإثبات فعاليتها على نطاق أكبر في محلل كهربائي للماء، و يتكون الفريق ، الذي يقوده الباحث بمركز التميز لتقنية النانو د. محمد قمر ، من باحث يحمل درجة الزمالة وطالبَين من حملة الدكتوراة .

وقد ابتكر الفريق البحثي، في 2016، إستراتيجية جديدة مبنية على هيكل فلزي عضو (MOF) لتصنيع محفزات كهربائية عالية الفعالية ومستقرة تسمى (كربيد ثنائي الموليبدنوم Mo2C) تستخدم لتوليد الهيدروجين (J. Mater. Chem. A, 2016, 4, pp 16225-16232) .

وقام الفريق باستخدام نسيج مسامي من الهياكل الفلزية العضوية كبيئة لإنتاج المحفز الكهربائي مع توزيع موحد على سطح الكربون. وبالرغم من أن هذا المحفز الكهربائي أظهر تفاعلا مستقرا وعالي الكفاءة لتوليد الهيدروجين ، فهو لا يزال بحاجة إلى المزيد من الطاقة مقارنةً بالمحفزات الكهربائية المستخدمة حالياً والمصنعة من البلاتينيوم والكربون .

وفي الآونة الأخيرة ، حقق الفريق تقدما كبيرا من خلال تطوير محفزات كهربائية نانوية (أحادي فوسفات الكوبالت CoP ) ، مع ميزات مثيرة للاهتمام، حيث تعد تكلفة الكوبالت (CoP) أقل بكثير مقارنة بالمحفزات الكهربائية المعتمدة على البلاتين، بالإضافة إلى أن طريقة الإعداد بسيطة مع إمكانية زيادة حجمها.

ولأنه يتمتع بسمات فريدة ، فقد تفوق أداء المحفز الكهربائي الهجين على معظم الحفازات الكهروكيميائية والتي تم تطويرها حتى الآن. بالإضافة إلى ذلك ، فإن الحفاز الكهربائي المطور يظهر استقرارًا تشغيليًا طويل الأمد.

وقد نشرت النتائج في مجلة (ACS Applied Materials & Interfaces (ACS Appl. Mater. Interfaces, 2018, 10 (35), pp 29407–29416) ) ، ويتم حالياً اتخاذ الاجراءات اللازمة لتسجيل هذه الطريقة المبتكرة كبراءة إختراع.

وفي الوقت نفسه ، ابتكر الفريق أيضًا محفزا كهربائياً هجينًا و منخفض التكلفة يعتمد على بوريد الكوبالت والذي يستخدم في عملية توليد الأكسجين OER ، وكانت النتائج الأولية واعدة للغاية.

حاليا ، يبذل الفريق جهودًا لتحسين الاستقرار التشغيلي لهذا القطب. بعد أن حقق الفريق الأهداف التقنية للصناعات الكهربائية في المختبر ، ستكون الخطوة التالية هي إظهار أنها يمكن أن تعمل في محلل كهربائي للماء.

علاوة على ذلك ، يتم دراسة تطبيق مثل هذه المحفزات الكهربائية في مجالات أخرى إستراتيجية بما في ذلك تقنية التدفق الكهروكيميائي لتحويل المنتجات النفطية إلى مواد كيميائية عالية القيمة ، وتحويل ثاني أكسيد الكربون إلى مواد كيميائية ذات قيمة مضافة ، وأجهزة تخزين الطاقة (بطارية تدفق الأكسدة) .

يقول قائد الفريق البحثي د.محمد قمر إن كل هذه البحوث يتم توجيهها لتلبية احتياجات الصناعات المحلية ، وكذلك لتتماشى مع رؤية المملكة 2030 التي تهدف إلى تقليل اعتماد المملكة على النفط والاعتماد على بدائل متنوعة للاقتصاد .

و يعد إنتاج الهيدروجين باستخدام الطاقة الكهربائية والمياه أحد الحلول الواعدة لإنتاج الطاقة النظيفة وبشكل فعال(ذو جدوى اقتصادية) ، في عملية تسمى "التحليل الكهربائي" يتم خلالها استخراج الأوكسجين وغاز الهيدروجين من الماء.

في هذه العملية، يمكن استخدام الكهرباء الفائضة المولدة من الطاقة المتجددة لكسر جزيئات الماء إلى هيدروجين وأكسجين . يتم في البداية تقسيم جزيئات الماء على سطح القطب الموجب (الأنود) ، فتنتج الإلكترونات وأيونات الهيدروجين وغاز الأكسجين .

يتم بعد ذلك جمع غاز الأكسجين عند القطب الموجب ، بينما تتدفق الإلكترونات من خلال دائرة كهربائية خارجية وينتشر الهيدروجين من خلال الغشاء نحو القطب السالب (الكاثود). في الكاثود ، يحدث اندماج لأربع ذرات من الهيدروجين لتكوين جزيئات الغاز . هذه الغازات نقية ويمكن استخدامها دون أي عملية تنقية أخرى . التفاعلات التي تحدث في الأنود والكاثود تسمى تفاعل توليد الأكسجين (OER) وتفاعل توليد الهيدروجين (HER) ، على التوالي .

إن الحصة السوقية من الهيدروجين التي يتم إنتاجها عن طريق التحليل الكهربائي تصل ل(7%)، ومن المرجح أن تنمو إلى حوالي 12٪ بحلول عام 2024. ولا يزال خفض التكلفة وتعزيز كفاءة الطاقة (الكهرباء إلى الهيدروجين) يمثل تحديًا كبيراً، إذ ترتبط هذه التحديات بشكل مباشر بالحفازات الكهربائية ، ويمكن أن تكون تقنية النانو هي الحل السحري للتغلب على هذه التحديات وتلعب دورًا حاسمًا في تطور التحليل الكهربائي .

مزيد من التفاصيل حول هذا البحث في هذا المجال يمكن العثور عليها في

http://faculty.kfupm.edu.sa /CENT/qamar/publications.html