المحفزات الحديدية تجعل خلايا الوقود الهيدروجينية عملية

خلايا الوقود الهيدروجينية: المحفزات الحديدية كبديل للبلاتين

يمكن أن يكون الهيدروجين، نظريًا، الوقود المثالي لمستقبل أخضر: يمكن إنتاجه من الكهرباء المتجددة، لا ينتج أي ملوثات عند استهلاكه، ويتطلب فقط الماء كمواد لإنتاجه.

ومع ذلك، كان إنتاج الهيدروجين بتكلفة منخفضة بما فيه الكفاية تحديًا. يتم استكشاف أنظمة بديلة، مثل الإنتاج المشترك للمياه العذرة في نفس الوقت، محفزات هيدروجين جديدة لا تحتاج إلى معادن ثمينة، أو التحفيز الضوئي، تُستكشف.

خطوة أخرى تقلل من جدوى الهيدروجين تجاريًا هي مرحلة الاستهلاك. عندما لا يُستخدم في محرك احتراق (مشابه لمحرك الوقود، لكن بكفاءة أقل)، تُستخدم خلايا الوقود، والتي عادةً ما تتطلب بلاتينًا مكلفًا كمحفز.

هذا لا يجعل خلايا الوقود أكثر تكلفة فحسب، بل قد يعيق أيضًا الاعتماد الجماعي للهيدروجين كوقود، حيث أن البلاتين والمعادن المرتبطة به مثل البالاديوم نادرة جدًا على الأرض، مما يجعل زيادة إنتاجها صعب التحقيق.

لحسن الحظ، تظهر بدائل بفضل عمل العلماء الصينيين في العديد من أبرز مؤسسات البحث في البلاد: الأكاديمية الصينية للعلوم، جامعة شنتشن (الصين)، جامعة جنوب شرق (الصين)، جامعة تسينغوا، جامعة بكين للتقنية الكيميائية، جامعة مدينة هونغ كونغ، وجامعة شيامن.

نشروا¹ اكتشاف محفز جديد قائم على الحديد لخلايا الوقود في المجلة العلمية المرموقة نيتشر، تحت عنوان “اختزال الأكسجين الحمضي بواسطة محفزات Fe ذات الذرة الواحدة على دعائم منحنية”.

كيف تعمل خلايا الوقود

الأجزاء في خلايا الوقود التي تولد الكهرباء من استهلاك الهيدروجين هي أغشية تبادل البروتونات (PEMs).

تعمل خلايا الوقود عن طريق تحفيز تحويل الهيدروجين (H₂) إلى بروتونات (أيونات H+) + إلكترونات، مما يولد تيارًا كهربائيًا. كما ذُكر سابقًا، هذا المحفز هو تقليديًا البلاتين، وهو معدن مكلف.

المصدر: Wikipedia

بدلاً من ذلك، أنشأ العلماء الصينيون تصميمًا جديدًا للمحفز، موصوفًا بـ “تنشيط داخلي، حماية خارجية”، والذي يعتمد على الحديد البسيط كمحفز.

المحفزات الهيدروجينية القائمة على الحديد

تحديات المحفزات الحديدية في خلايا الوقود

فكرة استخدام محفز حديدي، قادر طبيعيًا على التقاط الأكسجين (التي نعرفها عادةً بـ “الصدأ”) وربطه بأيونات الهيدروجين، ليست جديدة.

لكن حتى الآن، تم إعاقة ذلك بسبب تفاعلات كيميائية غير مرغوب فيها، لا سيما الامتصاص القوي للوسائط المتفاعلة المؤكسجة، وإزالة المعادن من ذرات الحديد. وبالتالي إما أن تُعلق ذرات الحديد بـ “مركبات غنية بالأكسجين”، أو تصبح غير قادرة على العمل كمحفز.

لإيقاف هذه التفاعلات غير المرغوب فيها، أنشأ الباحثون بنية نانوية فريدة للمحفز الحديدي.

المحفزات الحديدية المجوفة ذات البنية النانوية

تعتمد المحفزات الحديدية التقليدية على سطح خارجي من الجرافين أو دعائم الكربون، مما يحد من كمية الحديد المتاحة للتفاعلات المطلوبة مع الهيدروجين.

بدلاً من ذلك، تم استخدام طريقة لإنشاء سطح منحني داخلي مع موقع محفز حديدي ذرة واحدة.

كل من هذه المواقع يقع في بنية مجوفة متعددة القشور محصورة نانويًا (HoMS). تُوزع هذه الـ HoMS النانوية وتُربط بطبقة كربونية ثنائية الأبعاد، مشابهة للجرافين.

المصدر: Research Gate

جسيمات المجوفة النانوية بحجم حوالي 10 نانومتر × 4 نانومتر، وتتكون من عدة قشور حيث تُركز ذرات الحديد في الطبقات الداخلية بكثافة عالية. كشفت مطيافية امتصاص الأشعة السينية باستخدام السنكروترون أن هذه الذرات الداخلية للحديد تكون في حالة نشطة تحفيزيًا بنسبة 57.9٪.

المصدر: Research Gate

تحسينات الأداء باستخدام المحفزات الحديدية

اسحب للتمرير →

تُضعف البنية النانوية قوة ربط الوسائط المتفاعلة المؤكسجة، مما يزيل قيدًا رئيسيًا للمحفزات القائمة على الحديد.

المصدر: Research Gate

كما أنها تقلل من معدل إنتاج الجذر الهيدروكسيل (•OH)، وهو جزيء شديد التفاعل والضرر ويشكل دائمًا مشكلة محتملة في تفاعلات الأكسجين والهيدروجين.

النتيجة النهائية هي خلية وقود تستخدم محفزات حديدية تتفوق جذريًا على التصاميم الأخرى، سواء من حيث كثافة القدرة القصوى أو كثافة التيار (النجوم الحمراء أدناه)، مع سجل أعلى كثافة قدرة يبلغ 0.75 واط/سم² تحت ضغط 1.0 بار من H2–الهواء.

المصدر: Research Gate

تصميم هذا المحفز أكثر متانة أيضًا مقارنةً بالنسخة السابقة من المحفزات القائمة على الحديد، حيث يبقى عند كفاءة 86٪ بعد أكثر من 300 ساعة من التشغيل.

المصدر: Research Gate

الخلاصة

لن تكون اقتصاد الهيدروجين ممكنًا إلا عندما تُحل الاعتبارات الاقتصادية، مع محفزات سهلة الإنتاج، تعتمد على مواد وفيرة ورخيصة.

في هذا السياق، يُعد الحديد، كأحد أكثر المعادن إنتاجًا ورخصًا على الأرض، مرشحًا مثاليًا.

كما يعني ذلك أن التدهور السريع نسبيًا للكفاءة مع مرور الوقت (والذي يمكن على الأرجح تحسينه عن التصميم التجريبي الأول) سيكون أقل إشكالية، ويمكن استبدال جزء المحفز في خلية الوقود بآخر جديد بانتظام، مع إعادة تدوير أو تجديد الجزء المستخدم إلى أدائه الأصلي.

الاستثمار في تقنية خلايا الوقود

Plug Power (PLUG ) هي رائدة في مجال الهيدروجين الأخضر، مع تركيز على خلايا الوقود. تُبلغ الشركة عن تركيب أكثر من 72,000 خلية وقود في أكثر من 300 موقع، مع حضور كبير في أساطيل مناولة المواد. على وجه الخصوص، تُشغل خلايا الوقود لديها أكثر من 40,000 رافعة شوكية، وقد ارتفعت إيراداتها بمقدار 8 أضعاف منذ عام 2013.

كما أنها نشطة في بناء بنية تحتية للهيدروجين، مثل إنتاج الهيدروجين، اللوجستيات، توليد الطاقة على نطاق المرافق، والتسليمات.

المصدر: Plug Power

تهدف الشركة إلى التوسع لتقليل تكلفة إنتاج الهيدروجين من $10/kg إلى $4/kg، مع مضاعفة الإنتاج بمقدار 14 مرة بحلول عام 2027. كما ينبغي أن تستبدل جميع الهيدروجين المستورد من الخارج، الذي كان غالبًا يُعاد بيعه للعملاء بخسارة.

نظرًا للاستثمارات الضخمة لزيادة قدرة الإنتاج بمقدار 19 مرة منذ عام 2020، لا تزال الشركة غير مربحة حتى الآن، لكن التقدم في الحصول على هيدروجينها الخاص قد يغير ذلك.

تعتبر الشركة حلولها إما وقود تنقل مباشر أو مكمل للمركبات الكهربائية، حيث يتيح الهيدروجين تقليل الضغط على الشبكة خلال أوقات شحن المركبات الكهربائية القصوى، والتي لا تتطابق مع فترات إنتاج الطاقة المتجددة خلال النهار.

المصدر: Plug Power

كمنتج رئيسي لخلايا الوقود، ستستفيد Plug Power بشكل كبير من التحول نحو اقتصاد قائم على الهيدروجين. يمكن دمج محفز خلية وقود أرخص في تصاميمها، وتعزيز معدل اعتماد مركبات الهيدروجين وتخزين الطاقة على مستوى الشبكة.

لذلك يجعل ذلك من Plug Power سهمًا جيدًا للمراهنة على التحول نحو الهيدروجين بشكل عام، مع نمو الطلب على خلايا الوقود كلما تم اختراع طريقة أرخص لإنتاج أو تخزين أو نقل أو استخدام الهيدروجين.

آخر أخبار وتطورات سهم Plug Power Inc (PLUG)

الدراسة المشار إليها

^{1. Zhao, Y., Wan, J., Ling, C. et al. اختزال الأكسجين الحمضي بواسطة محفزات Fe ذات الذرة الواحدة على دعائم منحنية. Nature 644, 668–675 (2025). https://doi.org/10.1038/s41586-025-09364-6}