المحفزات غير النبيلة تمهد الطريق للهيدروجين الميسور التكلفة

مع تحول العالم بعيدًا عن الوقود الأحفوري لتخفيف أزمة الاحتباس الحراري العالمية، يكتسب الهيدروجين الأضواء كـ‘وقود المستقبل’.

يرجع ذلك إلى عدة أسباب، بما في ذلك وفرة المياه، والعائد الطاقي الأعلى، وإنتاج الماء فقط كناتج ثانوي، وانخفاض أو عدم وجود انبعاثات الغازات الدفيئة (GHG). تجعل هذه الخصائص الهيدروجين النظيف قابلاً للاستخدام عبر مجموعة واسعة من التطبيقات مثل النقل، وتوليد الكهرباء، والتدفئة، والصناعة، بما فيها الصلب، والكيماويات، والأسمنت.

في حين يُظهر الهيدروجين إمكانات هائلة في خفض انبعاثات الكربون في مجتمعنا، فإن معظم الهيدروجين المُنتج اليوم يأتي من الوقود الأحفوري (الميثان) نفسه، مما يؤدي إلى انبعاثات CO2 كبيرة. وهذا يعني أن هناك حاجة إلى بدائل قابلة للتوسع لإنتاج هيدروجين أخضر ونظيف.

نتيجةً لذلك، يركز البحث المستمر على إيجاد طرق فعّالة وصديقة للبيئة لإنتاج وقود الهيدروجين.

HER: مسار واعد لإنتاج الهيدروجين الأخضر

إحدى الطرق الواعدة لإنتاج الهيدروجين الأخضر التي حظيت باهتمام كبير هي التحليل الكهربائي للمياه.

تُعد تفاعل تطور الهيدروجين (HER) رد فعل أساسي يحدث في عملية التحليل الكهربائي للمياه لإنتاج الهيدروجين، وهو عملية أساسية في الكيمياء الكهربائية.

التحليل الكهربائي للمياه يعني ببساطة استخدام الكهرباء لتقسيم الماء إلى أكسجين (O2) وهيدروجين (H2) غاز، مما يوفر طريقة فعّالة ونظيفة لإنتاج وقود الهيدروجين على نطاق واسع.

بفضل فقدان أومي منخفض (وهو الطاقة المحتملة المفقودة على شكل حرارة أثناء تدفق الشحنات الكهربائية عبر الوسط)، وكثافة التيار العالية، ومعدل عبور الغاز المنخفض، فإن توسيع عملية HER من المستوى المختبري إلى محلل ماء بغشاء تبادل البروتون (PEM) تجاري يوفر مسارًا مستدامًا للهيدروجين الأخضر.

في التحليل الكهربائي PEM، يُنتج الهيدروجين عن طريق تقسيم الماء باستخدام الكهرباء وإلكتروليت بوليمر صلب. في هذه العملية، يُطبق التيار الكهربائي أولاً لتفكيك جزيئات الماء إلى أيونات هيدروجين (بروتونات)، وإلكترونات، وأكسجين. ثم تنتقل البروتونات عبر الغشاء، وهو بوليمر موصل للبروتونات يفصل بين الأنود والكاثود، بينما تتدفق الإلكترونات عبر دائرة خارجية.

في الأنود، يُؤكسد جزيء الماء، منتجًا فقط أكسجينًا، بروتونات، وإلكترونات. في الكاثود، تتحد البروتونات والإلكترونات لتكوين غاز الهيدروجين.

يُستخدم هذا الأسلوب لإنتاج الهيدروجين لخلايا الوقود بالإضافة إلى تطبيقه في عمليات صناعية مختلفة مثل إنتاج الأسمدة، وتكرير البترول، والبتروكيماويات.

لكن المشكلة تكمن في ظروف العمل القاسية، مثل الواجهة القوية بين الكاتاليت والمحلول الحمضي القاعدي المختزل. هذه البيئة تجعل محولات PEM التجارية مضطرة لاستخدام كاثود من البلوتينيوم (Pt)، وهو غير وفير وبالتالي مكلف، للحفاظ على النشاط العالي.

تجعل الظروف القاسية هذه الكاثودات (المعتمدة على معادن غير ثمينة) غير مناسبة لمحلل ماء PEM.

يتطلب التطبيق الواسع النطاق للـ PEM، الذي يصل إلى مستوى التيرواط، الحاجة إلى محفزات رخيصة لتحل محل المعادن النبيلة. بينما لا يزال البحث مستمرًا للعثور على كاثودات غير ثمينة مناسبة لتجاريـة PEM، فإن ذلك يظل تحديًا.

هنا، أظهرت فوسفاتات المعادن الانتقالية (TMPs) وعدًا كمحفزات HER، لكن استخدامها لاستبدال المعادن النبيلة لا يزال في مراحله الأولية. السبب الرئيسي هو نقص الفهم حول تحملها في ظروف العمل القاسية، بالإضافة إلى مراقبة دوران المواقع النشطة أثناء عملية توليد الهيدروجين.

استراتيجية إعادة تشكيل السطح تنتج وقود هيدروجين ميسور التكلفة

مؤخرًا، تم الإبلاغ عن دمج جزيئات CoP النانوية ككاثودات في محولات ماء PEM صناعية، مما يُظهر إمكاناتها التجارية.

ومع ذلك، تكمن المشكلة في توسيع تفاعل HER من تجربة مختبرية إلى إنتاج تجاري واسع النطاق مع الحفاظ على انخفاض التكاليف، وهو ما حققته الدراسة الأخيرة.

وفقًا للنتائج المنشورة في مجلة Advanced Energy Materials¹ في أبريل 2025، أظهر فريق من الباحثين في جامعة توهوكو الاستخدام الموسع لكاثود CoP|F (CoP معدل بالفلور) من المستوى المختبري (0.2 سم²) إلى محلل ماء PEM تجاري (38 سم²).

أثناء بحثهم عن أداء HER متفوق، وجد الباحثون أن مسار إعادة تشكيل السطح يمكن أن يخلق كاثودات غير نبيلة تدوم طويلاً وتحسن من HER.

هذه الكاثودات قادرة على الحفاظ على أدائها لأكثر من 300 ساعة. بالإضافة إلى ذلك، كانت التكلفة التي حسبها الفريق قريبة جدًا من هدف إنتاج H2 لعام 2026 الذي حدده وزارة الطاقة الأمريكية، وهو 2.00 دولار لكل كغ من H2.

لتسريع تفاعل HER، الذي بطبيعته بطيء وغير فعال، لجأ الفريق إلى TMPs. فوسفاتات المعادن الانتقالية هي مادة غير ثمينة ذات تكلفة منخفضة ومتانة عالية. إنها محفز واعد بفضل هيكله الإلكتروني الفريد ونشاطه التحفيزي العالي، مما يحسن كفاءة HER.

مع الاعتماد عادةً على المعادن النبيلة لهذا الغرض، يعتقد الباحثون أن هناك فجوة معرفية حول المعادن غير النبيلة تحتاج إلى سدها.

المحفز غير النبيل يشير إلى مادة بديلة تكون أقل تكلفة ومتوفرة بوفرة مقارنة بالمعادن النبيلة. توفر هذه المحفزات غير النبيلة قابلية تعديل التفاعل، ما يعني إمكانية تعديلها حسب الحاجة لتعزيز الاستقرار، والانتقائية، والنشاط في عمليات التحفيز المختلفة.

لذلك، أعد الفريق CoP المعدل بالفلور ثم استخدم تقنيات التحليل الطيفي للامتصاص بالأشعة السينية (XAS) وقياسات رامان لتقييم خصائصه المتنوعة، مثل إعادة تشكيل السطح والمواقع النشطة الحقيقية.

أثبتت النتائج أن إضافة الفلور إلى شبكة CoP1‑x يمكن أن تعزز كسر روابط Co‑P، مما يؤدي إلى إعادة تشكيل الكوبالت المعدني غير المتبلور. تشكل فراغات الفسفور (P) على السطح مواقع نشطة أكثر، مما يسرّع HER.

يظهر السطح المعاد تشكيله نشاطًا عاليًا وتحملًا في واجهة المحلول الحمضي القاعدي المختزل. ومن الجدير بالذكر، عند استخدامه ككاثود في محلل ماء PEM تجاري، يكون أداء كاثود CoP|F مماثلًا لمحفز Pt/C المتقدم بتكلفة تبلغ فقط 2.17 دولار لكل كغ H2‑1.

قال هينغ ليو، أستاذ مساعد في المعهد المتقدم لأبحاث المواد (WPI‑AIMR): “هذا الكوبالت المعاد تشكيله عالي النشاط، يعمل في الظروف الحمضية، ويمكنه الحفاظ على حوالي 76 واط لأكثر من 300 ساعة.” وأضاف أن التكلفة تبلغ 0.17 دولار فقط فوق هدف الإنتاج الحالي لعام 2026.

مع هذه النتائج المثيرة، يأمل الباحثون في توفير مسار إعادة تشكيل السطح لكاثودات غير نبيلة ذات كفاءة عالية، وتوفير تكلفة، ومتانة لتطبيقات PEM التجارية.

الأهم من ذلك، لم يُختبر الإعداد فقط على نطاق مختبري بثلاثة أقطاب، بل تم توسيعه فعليًا إلى نطاق تجاري. ومع هذا التصميم المنطقي لكاثودات جديدة قد تكون أساسًا لكاثودات غير نبيلة أخرى، قد يجسر الدراسة الفجوة بين المختبر والمصنع.

“نحن دائمًا نفكر في الهدف النهائي، وهو أن ينتقل البحث إلى الحياة اليومية. هذا التقدم يقرّبنا خطوة أخرى من تصميم خيارات أكثر واقعية لتطبيقات PEM التجارية.”

– ليو

تقدمات في إنتاج الهيدروجين النظيف

مع بروز الهيدروجين كمصدر طاقة نظيف ومتجدد واعد، يتركّز الآن الكثير من الاهتمام على إنتاج الهيدروجين بكفاءة لتلبية الطلب على نطاق تجاري، مع تزايد الاهتمام بالتحليل الكهربائي للمياه المدفوع بالكهرباء.

يمكن تقسيم التحليل الكهربائي للمياه إلى تفاعلَين: تفاعل تطور الهيدروجين (HER)، حيث يُختزل الماء عند الكاثود لإنتاج الهيدروجين، وتفاعل تطور الأكسجين (OER)، حيث يُؤكسد الماء عند الأنود لإنتاج O2. في الحالتين، يلعب التحفيز دورًا رئيسيًا، مما يخلق حاجة إلى محفزات عالية الفعالية لإنتاج H2 و O2 بكفاءة.

في هذا الشهر، وفي بحث آخر من AIMR، جامعة توهوكو، اقترح الباحثون إطارًا محفزيًا جديدًا، يقدم نهجًا محتملًا لإنتاج هيدروجين غير مكلف عبر التحليل الكهربائي للمياه. كان التركيز هنا على OER.

تركّز المادة على أكسيد الكوبالت (Co3O4) أحادي البلورة مسامي (مسام بأقطار 2–50 نانومتر) مُدمج بإيريديوم (Ir) موزّع ذريًا، صُمّم لتطبيق OER الحمضي.

على الرغم من أدائه المميز في OER، فإن الإيريديوم نادر ومكلف. كما أن الاستخدام الفعّال للإيريديوم مع الحفاظ على الاستقرار يُشكّل تحديًا عند توسيع التقنية. لذا، يقدم الدراسة حلًا من خلال مادة تعظم الكفاءة على المستوى الذري.

بفضل هيكل سبينيل مسامي، يمكن للمحفز أن يحمل نسبة عالية من الإيريديوم (13.8٪ وزن) دون تكوين عناقيد إيريديوم كبيرة، مما يتيح تكوين مواقع جسر Co‑Ir. تحت ظروف OER الحمضية، أظهرت هذه المواقع نشاطًا فطريًا عاليًا.

لتحليل ذلك، دمج البحث بيانات تجريبية مع نمذجة حسابية، تشير إلى أن الوسطات المؤكسجة (O*) تغطي بالكامل أسطح Co3O4. هذا عادةً ما يُعطّل مواقع Co، لكن إضافة الإيريديوم يعيد تنشيط المواقع مع تعزيز سلامة هيكل المحفز في آنٍ واحد.

خفضت هذه الدراسة خسائر Ir و Co إلى حوالي ربع وخمس، على التوالي. علاوةً على ذلك، حافظ المحفز على أدائه لأكثر من 100 ساعة.

“يلعب الهيكل المسامي دورًا حاسمًا. فهو يوفر مساحة لتحميل إيريديوم ذريًا ويساعد على خلق بيئة مستقرة للنشاط التحفيزي.”

– الأستاذ هو لي، قائد الدراسة

سيركّز العمل المستقبلي على تعديل مستوى الإضافة، وتوسيع عمليتهم، ثم دمجها في أنظمة المحللات التجارية.

أظهرت دراسة أخرى تبحث في محفز إيريديوم اقتصادي أن التحليل يُظهر أن تلبية طلب العالم من الهيدروجين للنقل باستخدام التحليل الكهربائي للمياه بغشاء تبادل البروتون (PEM‑WE) يتطلب مواد أنودية إيريديوم أقل من 0.05 ملغ Ir/cm². ومع ذلك، فإن أفضل المحفزات المتوفرة حاليًا في السوق، المصنوعة من أكسيد الإيريديوم، تحتوي على ما يقرب من 40 مرة هذا المستوى.

الخبر السار هو أن حلولًا لهذه المشكلة تُطوّر بالفعل. مشروع Kopernikus P2X التابع لمجموعة Heraeus يُنشئ محفزًا نانويًا جديدًا فعالًا يعتمد على إيريديوم، مكوّن من طبقة رقيقة من أكسيد الإيريديوم (IrO2) على دعامة من ثاني أكسيد التيتانيوم (TiO₂) على نطاق النانو.

يظهر محفز P2X استقرارًا ملحوظًا حتى في التشغيل طويل الأمد ويؤدي أفضل من المعيار البلوري الأكثر تنظيمًا.

إلى جانب العمل على تقنيات مختلفة لجعل إنتاج الهيدروجين أكثر تكلفةً، قابلية للتوسع، وصديقًا للبيئة، يستكشف الباحثون حول العالم أيضًا طرقًا لتخزينه بكفاءة، مما يساعد الهيدروجين النظيف على تحقيق تبني واقعي.

في وقت سابق من هذا العام، أظهر فريق من العلماء بدعم من وزارة الطاقة الأمريكية طريقة جديدة لتخزين وإطلاق الهيدروجين المتطاير. هذا يعالج أحد التحديات الكبرى لاستخدام الهيدروجين كوقود: التكلفة العالية وعدم الكفاءة في التخزين والنقل بسبب كثافته المنخفضة وطبيعته المتفجرة.

ما قام به العلماء هو تطوير نوع من وقود الطائرات القائم على اللجنين يمكنه ربط الهيدروجين كيميائيًا في شكل سائل مستقر. وفقًا للبروفيسور بن يانغ من جامعة ولاية واشنطن، “يمكن أن يتيح هذا تخزينًا فعالًا وعالي الكثافة للهيدروجين في وقود طيران مستدام سهل التعامل، مما يلغي الحاجة إلى خزانات مضغوطة للتخزين والنقل.”

استخدمت العملية الجديدة تفاعلات كيميائية تولّد كربونات عطرية وهيدروجين من وقود الطائرات التجريبي المصنوع من اللجنين. اللجنين، الموجود في النباتات، هو بوليمر طبيعي وثاني أكثر المواد وفرة على الأرض.

في الخطوات القادمة، سيصمم الباحثون محفزًا مدفوعًا بالذكاء الاصطناعي لتحسين التفاعلات، مما يجعلها أكثر كفاءة وتكلفة أقل.

شركة مبتكرة

Cummins Inc (CMI )

مزوّد حلول الطاقة العالمي، Cummins Inc.، يعمل عبر قطاعات متعددة تشمل المحركات، المكوّنات، التوزيع، أنظمة الطاقة، وAccelera.

تستكشف الشركة وتستفيد على نطاق واسع من تكنولوجيا محركات الهيدروجين للمساهمة في بناء مستقبل مستدام. دخلت Cummins عالم اقتصاد الهيدروجين لأول مرة في عام 2019 من خلال الاستحواذ على Hydrogenics، صانعة خلايا الوقود الهيدروجينية والمحولات. ومنذ ذلك الحين، أحرزت تقدمًا مستمرًا.

يشمل ذلك إطلاق محركات هيدروجين سعة 15 لتر ومحركات غاز طبيعي سعة 15 لتر. كما تشمل مجموعة Cummins حلول تخزين الهيدروجين وتطوير تكنولوجيا خلايا الوقود.

قبل بضع سنوات، بدأت Accelera أيضًا عمليات إنتاج المحولات في مينيسوتا، وهو أول موقع إنتاج محولات للولايات المتحدة.

“التحليل الكهربائي على نطاق واسع لإنتاج هيدروجين أخضر هو عنصر أساسي في خفض انبعاثات النقل والصناعة.”

– الرئيسة أمي ديفيس من Accelera في ذلك الوقت.

في مارس 2025، أصبحت Cummins عضوًا مؤسسًا في تحالف محرك الهيدروجين بأمريكا الشمالية (H2EA‑NA)، وهو مبادرة شكلها خبراء من الأوساط الأكاديمية، الحكومية، وصناعة النقل لتعزيز محركات الاحتراق الداخلي الهيدروجينية (H2‑ICE) وتطبيقها في محركات السفن وعلى الطرق وعلى المركبات غير المتصلة بالطرق.

فيما يتعلق بأداء الشركة في السوق، شهدت أسهم Cummins اتجاهًا صعوديًا قويًا لأكثر من عقدين. وقد تخلل هذه الرحلة فترات انخفاض، مما وفر فرصًا جيدة للمستثمرين للشراء. يمكن اعتبار الانخفاض بنسبة 16٪ في أسهم Cummins هذا العام فرصة مماثلة.

في وقت كتابة هذا المقال، تُتداول أسهم CMI عند 294.16 دولارًا، مما يضع القيمة السوقية لـ Cummins عند 40.38 مليار دولار. وبذلك، تمتلك EPS (TTM) قدرها 28.17، ومعدل P/E (TTM) يبلغ 10.41، وROE (TTM) بنسبة 41.27٪. ومن المثير للاهتمام، تُقدم Cummins أيضًا عائدًا على الأرباح بنسبة 2.48٪، مما يجعلها فرصة استثمارية محتملة جذابة.

فيما يخص البيانات المالية، في عام 2024، وهو العام الذي وصفته الشركة بأنه “تحولي” لتحقيق “تقدم كبير في استراتيجيتنا Destination Zero” وتحقيق “نتائج قياسية”، كان الإيراد ثابتًا عند 34.1 مليار دولار.

كان ذلك نتيجة زيادة المبيعات في أمريكا الشمالية بنسبة 1٪ رغم انخفاض الطلب على الشاحنات الثقيلة، وتراجع الإيرادات الدولية بنسبة 1٪ مقارنة بالعام السابق. أحد الأسباب كان Atmus Filtration Technologies (ATMU )، التي انفصلت عن Cummins (CMI ) العام الماضي لتصبح شركة مستقلة بالكامل. بالإضافة إلى ذلك، خضعت Accelera لإعادة هيكلة، مما أدى إلى تكاليف نتيجة للقرار بتبسيط العمليات وتركيز الاستثمارات.

بلغ صافي دخل Cummins للعام الكامل 2024 ثلاثة مليارات وتسعمائة مليون دولار، أي 28.37 دولارًا للسهم المخفّف، وهو ما ارتفع بشكل ملحوظ بفضل المكسب المتعلق بانفصال Atmus.

للعام الحالي، تتوقع Cummins أن يتراوح إيرادها بين انخفاض 2٪ إلى ارتفاع 3٪ بسبب “طلب أضعف قليلاً” متوقع في أمريكا الشمالية. ومع ذلك، أكدت الشركة التزامها بالهدف الاستراتيجي طويل الأمد لإعادة 50٪ من التدفق النقدي التشغيلي إلى المساهمين.

في عام 2024، زادت Cummins فعليًا توزيعات أرباحها النقدية للسهم العادي للعام الخامس عشر على التوالي، عائدة 969 مليون دولار للمساهمين عبر توزيعات الأرباح.

تشمل التطورات الأخرى التي قامت بها الشركة هذا العام تقديم منصة محرك Cummins HELM (Higher Efficiency, Lower Emissions and Multiple Fuels) التي تم تنفيذها عبر محفظة محركات B، X10، وX15، وإطلاق محرك جديد مخصص لخط شاحنات المتوسطة الوزن الخاص بالشركة اليابانية إيسوزو.

علاوةً على ذلك، شكلت Accelera، EVE Energy، Daimler Trucks & Buses، وPACCAR (PCAR ) مشروعًا مشتركًا يُدعى Amplify Cell Technologies لتوطين إنتاج خلايا البطاريات وسلسلة إمداد البطاريات في الولايات المتحدة. وقد بدأت Amplify بالفعل بناء مصنع بسعة 21 جيجاواط ساعة، مع هدف بدء الإنتاج في عام 2027.

آخر المستجدات حول Cummins Inc.

الخلاصة

بديل واعد للوقود الأحفوري هو الهيدروجين النظيف. يُعد هذا المكوّن الحيوي في استراتيجية خفض الكربون العالمية ذا كثافة طاقة عالية، ونواتج ثانوية غير ملوثة، وتعدد استخدامات عبر قطاعات مختلفة، مما يجعل من الضروري تطوير طرق إنتاج هيدروجين ذات تكلفة منخفضة.

يُعد التحليل الكهربائي PEM أحد هذه الأساليب التي يمكن أن تساعد في دفع جهود انتقال الطاقة العالمية إلى الأمام. هنا، استبدل باحثو جامعة توهوكو محفزات البلوتينيوم المكلفة ببدائل غير نبيلة مُهندسة سطحيًا، مما يمثل خطوة رئيسية نحو جعل الهيدروجين النظيف تجاريًا.

تكاليفه القريبة من هدف وزارة الطاقة الأمريكية، وتوسيع كاثود CoP|F في محولات PEM الواقعية يُظهر أننا قد نكون على وشك فتح باب الهيدروجين النظيف كحل جماهيري لتلبية احتياجات الطاقة العالمية!

انقر هنا لتعرف لماذا قد يظل الهيدروجين وقود المستقبل.

الدراسات المشار إليها:

1. ​Wu, R., Liu, H., Xu, J., Qu, M.-R., Qin, Y.-Y., Zheng, X.-S., Zhu, J.-F., Li, H., Su, X.-Z., & Yu, S.-H. (2025). إعادة تشكيل السطح تُفعّل كاثود معدن غير نبيل لمحولات ماء غشاء تبادل البروتون. Advanced Energy Materials, 15(10), 2405846. https://doi.org/10.1002/aenm.202405846