فريق دولي يتمكن من حصاد الهيدروجين من حدائق بحجم النانو

أظهر الباحثون أن حدائقهم النانوية لا تحفز فقط إنتاج الهيدروجين بل وإنتاج الأكسجين (جورنال أوف ماتيريالز كيمستري إيه)
أظهر الباحثون أن حدائقهم النانوية لا تحفز فقط إنتاج الهيدروجين بل وإنتاج الأكسجين (جورنال أوف ماتيريالز كيمستري إيه)

تعد البنى النانوية الشبيهة بالطبيعة لفوسفيد الكوبالت محفزات فعالة للغاية للتحليل الكهربائي للماء، ومن ثم إنتاج الهيدروجين، وقود المستقبل.

جاء ذلك في بحث أجراه الكيميائي نينغ يان وفريقه في معهد "فان تي هوف" للعلوم الجزيئية بجامعة أمستردام مع زملاء من كلية الفيزياء والتكنولوجيا بجامعة ووهان بالصين.

وفي ورقة ظهرت بدورية "جورنال أوف ماتيريالز كيمستري إيه" Journal of Materials Chemistry A"، وصف الباحثون كيف تسفر طرق الترسيب الكهروكيميائية المباشرة نسبيا عن البنى النانوية التي تشبه العشب والأوراق والزهور والتي يمكنها توليد الهيدروجين بكفاءة.

إعداد البنى النانوية

لإعداد البنى النانوية، كانت الأساليب التي تشبه الطباعة الحجرية من الأعلى إلى الأسفل شائعة منذ فترة طويلة. وهو أمر مفيد في تصنيع أشباه الموصلات، ولكنه يستغرق وقتا طويلا، وليس فعالا من حيث التكلفة بشكل خاص.

بديلا عن هذا، استكشف العديد من الباحثين توليف البنى النانوية من أسفل إلى أعلى استنادا إلى التجميع الذاتي للجزيئات أو وحدات البناء النانوية، لكن تحقيق التحكم الهندسي في كثير من الأحيان يتطلب إضافات باهظة الثمن ومواد خافضة للتوتر السطحي، مما يجعل فعل ذلك على نطاق واسع أمرا صعبا للغاية.

لذا، فقد قام الأستاذ المساعد نينغ يان، مع تلميذيه للدكتوراه جاسبر بيمولت وبيتر لان من معهد "فان تي هوف" للعلوم الجزيئية بجامعة أمستردام، باستكشاف طريقة مباشرة نسبيا للترسيب الكهربائي لهيدروكسيد الكوبالت.

وبالتعاون مع الباحثين في كلية الفيزياء والتكنولوجيا بجامعة ووهان بالصين، تمكن الفريق من تصميم وإعداد مجموعة متنوعة من البنى النانوية تشبه العناصر المختلفة في الحديقة: التربة والبراعم والأعشاب والزهور والأوراق.

إضافة إلى ذلك، فقد تمكنوا من جعل الهياكل النانوية نشطة تحفيزيا عن طريق إجراء الفسفرة البسيطة (إدخال مجموعة فوسفات إلى جزيء عضوي). وأظهرت البنى النانوية لفوسفيد الكوبالت الناتجة نشاطا حفازا ثنائي الوظيفة في تقسيم الماء كهربائيا، مما يعزز تفاعلات توليد الهيدروجين والأكسجين.

أظهرت البنى النانوية لفوسفيد الكوبالت نشاطا حفازا ثنائي الوظيفة في تقسيم الماء كهربائيا (جورنال أوف ماتيريالز كيمستري إيه)

الحدائق النانوية

قام نينغ يان وزملاؤه ببناء حدائقهم النانوية على قطعة قماش تتكون من ألياف كربونية يبلغ قطرها حوالي 10 ميكرومترات، وهي مادة قطبية شائعة في خلايا الوقود وصناعات التحليل الكهربائي.

وبدأ البناء بترسيب طبقة من "التربة" عن طريق تغليف الألياف بالحرارة بطبقة كثيفة من هيدروكسيد الكوبالت. وزادت هذه الطبقة من الاستقرار الهيكلي للبنى النانوية.

ومن خلال الاختلاف في تركيز الأيونات ودرجة حرارتها، تمكنوا من استنبات ما يشبه العشب المتجذر بقوة في التربة.

ويبلغ متوسط طول هذا العشب 1.5 ميكرومتر وسمكه حوالي 100 نانومتر. ولإضافة أزهار وأوراق للأعشاب، طبق الباحثون طريقة الترسيب الكهربائي.

وبعد تحويل الهياكل النانوية لهيدروكسيد الكوبالت إلى فوسفيد الكوبالت عن طريق الفسفدة، قام الباحثون بتقييم نشاطهم الحفاز في بيئة تشبه الظروف الصناعية ذات الصلة.

بدأ البناء بترسيب طبقة من "التربة" عن طريق تغليف الألياف بالحرارة بطبقة كثيفة من هيدروكسيد الكوبالت (جورنال أوف ماتيريالز كيمستري إيه)

وظيفة ثنائية

وكما اتضح، فإن أداء المحفز في البيئة الحمضية هو من بين أفضل المحفزات المعدنية غير الثمينة اليوم لتطوير الهيدروجين.

علاوة على ذلك، وفي كل من الظروف الحمضية والقلوية والحيادية، أدت البنى التي تشبه الأزهار إلى ترددات دوران أكبر بكثير من تلك التي تشبه الأوراق. ويعزو الباحثون هذا إلى الهندسة النانوية التي تتيح للزهور تفريغا أكثر سلاسة للهيدروجين.

وأخيرا، وفي تجارب التحليل الكهربائي على انقسام المياه، أظهر الباحثون أن حدائقهم النانوية لا تحفز فقط إنتاج الهيدروجين ولكن أيضا إنتاج الأكسجين. وقد تم بيان هذا النشاط ثنائي الوظيفة باستخدام إعداد ثنائي القطب متماثل مع حدائق نانوية متطابقة تماما في الأنود والكاثود.

وسوف يبحث الفريق كذلك في استخدام الإلكترونات للتحكم في نمو البلورات النانوية في تركيب المواد "المكهربة" التي تبشر بمستقبل مستدام.

المصدر : الصحافة الأميركية

حول هذه القصة

المزيد من علوم
الأكثر قراءة