مسارات جديدة لإنتاج الهيدروجين الأكثر كفاءة تم اكتشافها

العثور على الحفاز المناسب للهيدروجين

يمكن أن يكون الهيدروجين، نظريًا، وقودًا مثاليًا لتخزين الطاقة وتزويد التطبيقات التي يصعب كهرباؤها. ذلك لأنه يتمتع ببعض الخصائص القريبة من المثالية:

• المنتج الثانوي لاحتراقه هو الماء فقط
  • وينطبق نفس الشيء عندما يُستخدم لإنتاج الكهرباء في خلايا الوقود.
• يمكنه الاحتراق عند درجات حرارة عالية جدًا، مما يجعله بديلاً جيدًا للغاز الطبيعي في عمليات الصهر والعمليات الكيميائية، إلخ.
• يتطلب الماء فقط كمورد لإنتاجه.
• الهيدروجين نفسه غير سام وغير ملوث.

ومع ذلك، تم إبطاء صعود اقتصاد قائم على الهيدروجين بسبب صعوبة إنتاجه بطريقة ذات تكلفة فعّالة. ذلك لأن معظم الهيدروجين الأخضر (المُنتج من الطاقة الخضراء) يُصنع عبر التحليل الكهربائي، وهي عملية تعتمد حاليًا على حفازات مكلفة مثل البلاتين والروثينيوم أو الإريديوم، وهي معادن نادرة ومكلفة جدًا.

لذلك طالما لا توجد طريقة إنتاج أفضل للهيدروجين، فمن غير المرجح أن نتمكن من رؤيته يحل محل الوقود الأحفوري على نطاق واسع.

لحسن الحظ، يتغير هذا بسرعة. لقد غطينا مسبقًا بعض هذه الاحتمالات، لا سيما تحويل النفايات البلاستيكية إلى هيدروجين، واستخدام أنابيب نانوية من النيكل كحفاز بديل، أو استخدام خردة التيتانيوم والنيكل (السرف) الناتجة أثناء تصنيع قطع المعادن. الآن يضيف الباحثون خيارات أحدث.

الأول هو إنشاء حفازات ذات تحسين ذاتي¹ من قبل باحثين في جامعة يوهانس جوتنبرغ (ألمانيا) والجامعة التقنية في دارمشتات (ألمانيا)، ومعهد ماكس بلانك لأبحاث البوليمرات (ألمانيا)، ومعهد هاربين للتكنولوجيا (الصين)، وجامعة شاندونغ (الصين). نُشر ذلك في Angewandte Chemie تحت عنوان “حفازات أكسيد الكوبالت والتنغستن ذات التحسين الذاتي لتعزيز تطور الأكسجين في وسط قلوي.”

الثاني هو اختراع طريقة لتحويل الحمأة الصرف الصحي إلى هيدروجين أخضر وعلف حيواني² من قبل باحثين في جامعة نانيانغ التكنولوجية (سنغافورة)، وجامعة موناش (أستراليا)، وجامعة هونغ كونغ (الصين). نُشر ذلك في Nature Water تحت عنوان “إعادة تشكيل الحمأة الصرف الصحي المدفوعة بالطاقة الشمسية مقترنة بتوجيه بيولوجي لتوليد طعام أخضر وهيدروجين”.

إصلاح حفازات الهيدروجين

مشكلة متكررة مع جميع الحفازات المنتجة للهيدروجين هي أنها تتدهور مع مرور الوقت. قد يكون ذلك بسبب تكوّن رواسب على المعادن التفاعلية، أو تدهور طبقة المعدن نفسها ببطء وفقدان مكوّناتها في كل دورة تحفيز.

هذا الأمر يمثل مشكلة خاصةً للحفازات المكلفة من مجموعة معادن البلاتين، لكنه يُعد أيضًا مشكلة للأنواع الأخرى من الحفازات القائمة على المعادن.

لذلك، من المهم أن الباحثين الألمان والصينيين في الدراسة الأولى المذكورة هنا قد لاحظوا سلوكًا ذاتيًا للتحسين مع حفازاتهم الجديدة.

“ما يميز حفازنا هو أنه فعليًا يعزز أدائه مع مرور الوقت، بينما الحفازات التقليدية إما تحافظ على أدائها بمعدل ثابت أو حتى تفقد جزءًا من أدائها لأنها غير متينة بما يكفي،”

د. داندان جاو – قائد البحث في جامعة يوهانس جوتنبرغ ماينز

تحفيز الكوبالت والتنغستن

حل عنق زجاجة إنتاج الهيدروجين

ركز الباحثون على ما يُعرف بأكاسيد المعادن الانتقالية من 3d إلى 5d، المصوغة كمعادن مختلطة.

هذه القادرة على إجراء تفاعل كيميائي يُسمى تفاعل تطور الأكسجين (OER)، وهو نصف التفاعل الذي يحدث أثناء التحليل الكهربائي للماء إلى هيدروجين، في كلا التصميمين الأكثر شيوعًا للكهروالمحللات (AEM و PEM).

المصدر: SpectroInlet

 “هناك تفاعلان أثناء انقسام الماء. تفاعل تطور الهيدروجين (HER) الذي ينتج غاز الهيدروجين، وتفاعل تطور الأكسجين (OER) الذي ينتج غاز الأكسجين. يمثل OER عنق الزجاجة للردة الكاملة. لهذا نحن ملتزمون بشدة بتطوير حفاز يمكنه تعزيز نصف تفاعل OER.”

د. داندان جاو – قائد البحث في جامعة يوهانس جوتنبرغ ماينز

ومع ذلك، لا يزال فهم هذه الحفازات المحتملة الجديدة ضعيفًا، مع معرفة قليلة حول ما يحدث بالضبط على المستوى الذري أثناء التفاعل، أو حتى الشكل الكهروكيميائي الذي يتخذه المعدن.

هذا النقص في الفهم يُعد عائقًا كبيرًا أمام تطوير حل تجاري قابل للتطبيق، لأنه يحد أيضًا من القدرة على ربط الحفازات بقاعدة ثابتة.

طريقة الترسيب خطوة واحدة

استخدم الباحثون ركيزة من أزهار دقيقة من أكسيد النحاس (L−CuO) بقطر يتراوح بين 3–5 μm، تم تطويرها مسبقًا في مختبرهم عام 2020.

ثم استخدموا طريقة ترسيب كيميائي لإنشاء طبقة من سبيكة الكوبالت والتنغستن على سطح ركيزة النحاس.

المصدر: Angewandte Chemie

كشفت التحليلات اللاحقة عن الهياكل الدقيقة المعقدة للمادة، باستخدام مطيافية الفوتونات السينية (XPS)، ومطيافية الأشعة تحت الحمراء ذات الانعكاس الكلي المخفض (ATR-FTIR)، وقياسات مطيافية رامان.

كما أكد أن الحفاز مرتبط بقوة بالركيزة النحاسية.

“تطوير أساليب ترسيب قابلة للتطبيق وقابلة للتوسع ذو أهمية تقنية واقتصادية وبيئية قصوى، يتيح ربطًا ثابتًا لمسبّحات OER على ركائز واعدة مختارة مع تكامل ميكانيكي عالي”

المصدر: Angewandte Chemie

حفاز ذات تحسين ذاتي

من خلال هذه الملاحظات التفصيلية للغاية، اكتشف العلماء أن أيونات الكوبالت تتحول من الشكل Co₂₊ إلى الشكل Co₃₊. وفي الوقت نفسه، تنتقل أيونات التنغستن من الشكل W5+ إلى الشكل W6+.

وبالتالي، مع مرور الوقت، ينتقل الجزء النشط كيميائيًا من الحفاز من موقع التنغستن النشط إلى موقع الكوبالت النشط.

المصدر: Angewandte Chemie

يتغير الحفاز أيضًا من حيث محبة السطح للماء، أي قدرته على جذب الماء (الوقود لتوليد الهيدروجين): مع مرور الوقت يصبح أكثر محبة للماء.

“عمومًا، سجلنا انخفاضًا ملحوظًا في الجهد الزائد وزيادة في كثافة التيار مصحوبة بزيادة كبيرة في كينياتيات OER. كل هذا خبر إيجابي لإنتاج الهيدروجين في المستقبل.”

د. داندان جاو – قائد البحث في جامعة يوهانس جوتنبرغ ماينز

يجب أن يكون هذا خطوة قوية نحو جعل أكاسيد المعادن الانتقالية حفازات قابلة للتطبيق لإنتاج الهيدروجين.

ليس فقط أن هذا يُظهر أن فريق العلماء قد طور ركيزة نحاسية صالحة للحفاز، بل أيضًا أن مثل هذه الحفازات يمكن أن تكون فائقة الاستقرار، وحتى تتحسن مع مرور الوقت.

كما يوفر الإطار النظري لتقييم إمكانات تركيبات معادن انتقالية أخرى لم تُفهم جيدًا بعد كما هو الحال الآن مع الكوبالت-تنغستن.

لا حاجة للتحفيز؟

التعامل مع رواسب المدن

في الوقت نفسه، قد يبدأ إنتاج الهيدروجين أيضًا في الاعتماد على تدفقات النفايات الضخمة التي تنتجها مدننا. هذا هو المفهوم الذي استكشفه باحثون من سنغافورة، والصين، وأستراليا.

ركزوا على الحمأة الصرف الصحي، وهو منتج ثانوي سام من معالجة مياه الصرف. هذه الحمأة صعبة المعالجة والتخلص منها بسبب تركيبتها المعقدة ومحتواها من ملوثات مثل المعادن الثقيلة والكائنات الممرضة.

يُنتج أكثر من 100 مليون طن من الحمأة الصرف الصحي عالميًا كل عام. طرق التخلص الشائعة – مثل الحرق أو المدافن – تستغرق وقتًا، وتستهلك طاقة غير فعّالة، وتساهم في تلوث البيئة.

بدلاً من ذلك، يمكن أن تصبح مصدرًا لعلف الحيوانات والهيدروجين في آنٍ واحد.

تحويل الحمأة إلى موارد

طور الباحثون عملية من ثلاث خطوات لمعالجة الحمأة.

أولًا، يكسرون الحمأة ميكانيكيًا إلى سائل. ثم يزيلون المعادن الثقيلة من المادة العضوية عبر معالجة كيميائية.

بعد ذلك، يستخدمون عملية كهروميكانيكية لتحويل المواد العضوية إلى منتجات ذات قيمة: حمض الخليك وغاز الهيدروجين، باستخدام أقطاب متخصصة.

أخيرًا، يطعمون ثقافة من البكتيريا القادرة على الاستفادة من الضوء (السيانوبكتيريا) لتحويل المحتوى العضوي المتبقي إلى بروتينات خلية واحدة صالحة كعلف للحيوانات.

الخطوتان الثانية والثالثة إما مباشرة (في حالة البكتيريا) أو غير مباشرة عبر الألواح الشمسية (في حالة المعالجة الكهروميكانيكية) وتُغذى بأشعة الشمس.

يجعل ذلك عملية تدوير الحمأة بأكملها خالية تمامًا من الكربون، بل سلبية الكربون فعليًا لأنها تتجنب انبعاثات الكربون من المعالجة التقليدية للحمأة، وتستبدل مصادر الوقود الأحفوري الأخرى لإنتاج حمض الخليك والهيدروجين وعلف الحيوانات.

يمكن استخدام الهيدروجين كمصدر للطاقة النظيفة، وحمض الخليك مكوّن أساسي لصناعات الأغذية والصيدلة.

المصدر: Nature Water

كفاءة عالية

تم إثبات أن هذه الطريقة تستعيد 91.4% من الكربون العضوي في الحمأة الصرف الصحي وتحوّل 63% من الكربون العضوي إلى بروتين خلية واحدة.

هذا أعلى بكثير من الهضم اللاهوائي التقليدي، الذي يستعيد عادةً ويحوّل حوالي 50% من المواد العضوية في الحمأة الصرف الصحي.

بشكل عام، يقلل ذلك انبعاثات الكربون بنسبة 99.5% واستهلاك الطاقة بنسبة 99.3% مقارنةً بالطرق التقليدية.

“نأمل أن تُظهر طريقتنا المقترحة جدوى إدارة النفايات بشكل مستدام وتغيّر النظرة إلى الحمأة الصرف الصحي — من نفاية إلى مورد قيم يدعم الطاقة النظيفة وإنتاج الغذاء المستدام.”

د. تشاو هو، زميل بحث في جامعة نانيانغ التكنولوجية

بالإضافة إلى هذه الكفاءة العالية، فإنها تنقّي الحمأة من المعادن الثقيلة، التي تميل إلى تلويث المدافن في الطرق التقليدية للتعامل معها.

تشير هذه الطريقة الجديدة إلى إمكانية حدوث ثورة في طريقة معالجة مياه الصرف حول العالم، حيث تُزيل المعادن الثقيلة (ربما لإعادة تدويرها لاحقًا) وتنتج حمض الخليك المفيد، والهيدروجين، وعلف الحيوانات جميعًا في آنٍ واحد.

الخلاصة

من المحتمل أن تكون اقتصاد الهيدروجين شبكة معقدة من مصادر هيدروجين متنوعة.

على الأرجح، سيكون هناك حفازات متقدمة تقوم بعملية التحليل الكهربائي للماء إلى هيدروجين، دون الحاجة إلى معادن نادرة مكلفة. سيجعل ذلك تكلفة الهيدروجين منخفضة بما يكفي لتصبح منافسًا اقتصاديًا للوقود الأحفوري والبدائل الخضراء الأخرى.

مصدر محتمل آخر هو الاستفادة بشكل أفضل من ملايين الأطنان الضخمة من النفايات التي تنتجها الزراعة ومياه الصرف وغيرها من الأنشطة البشرية. بما أن هذه النفايات تحتاج إلى معالجة على أي حال، فمن الأفضل بكثير أن نبدأ بمعالجتها بطريقة تُزيل الملوثات (مثل المعادن الثقيلة) وتُنتج منتجات مفيدة جديدة.

وإذا تم ذلك باستخدام الطاقة الشمسية فقط، فسيكون ذلك أفضل.

شركة تحفيز التنغستن

يظهر التنغستن تدريجيًا ليس فقط كمعادن فائقة المقاومة تُستخدم في الصناعة الثقيلة وقطاع الدفاع، بل أيضًا كحفاز قوي مفيد للصناعة الكيميائية ولتوليد الهيدروجين.

قد يصبح موصلًا فائقًا عالي الحرارة عندما يُنسج في التكوين الجزيئي المناسب.

يمكنك قراءة نظرة تقنية واستثمارية حول هذا المورد في “التنغستن – المعدن السري عالي التقنية”.

كما أن سلسلة إمداد هذا المعدن تُسيطر عليها الصين تقريبًا بالكامل، باستثناء واحد، وهو Almonty Industries (ALM ).

Almonty Industries

Almonty هي شركة تعدين تنغستن تنتج حاليًا في الغالب من منجم في البرتغال، يعمل منذ 125 عامًا.

تعمل الشركة على توسيع المنجم البرتغالي وتملك رواسب غير مطورة في إسبانيا.

المصدر: Almonty

أهم مشروع للشركة هو التطوير المستمر لمنجم جديد في سانغدونغ، كوريا الجنوبية. يحتوي المنجم على موارد مستنتجة أكثر من جميع رواسبها الأخرى مجتمعة.

المصدر: Almonty

كواحدة من القلائل من شركات تعدين التنغستن النشطة والمنتجة في الدول الغربية، تُعد Almonty موردًا استراتيجيًا رئيسيًا لصناعة الدفاع. لذا فهي شركة مهمة لتقليل الاعتماد على الإمداد الصيني.

موقع منجم سانغدونغ يجعله موردًا مثاليًا لصناعة الدفاع، مع كوريا الجنوبية، العملاق الجديد في الإنتاج الضخم لـ “التقنيات منخفضة التقنية” من المعدات العسكرية مثل الدبابات والمدفعية والذخائر (مقارنةً للطائرات المقاتلة والسفن الحاملة التي تتطلب تنغستن أقل).

بينما تستعد الصين لفتح منجم تنغستن ضخم في كازاخستان، تستعد Almonty لـ “تغيير السياسة المتعلقة بتأمين التنغستن” بشكل كبير عندما يبدأ مشروع Almonty Korea Tungsten في سانغدونغ الإنتاج خلال بضعة أشهر. عندما يبدأ الإنتاج، سيصبح أحد أكبر مناجم التنغستن في العالم، يمثل 30% من الإمداد غير الصيني.

ليويس بلاك، مدير، رئيس، والرئيس التنفيذي لشركة Almonty Industries

من المتوقع أن يبدأ Almonty في إنتاج التنغستن من المنجم الكوري في أوائل أو منتصف 2025.

نظرًا لموقعه الاستراتيجي كالمورد الكبير الوحيد تقريبًا في الغرب، عُرض على Almonty سعرًا مضمونًا من Plansee. Plansee هي شركة تصنيع معادن عالية الأداء وإحدى عملاء Almonty الأكبر، بالإضافة إلى مالك 15% من الشركة.

السعر المضمون الأدنى كان 235 دولارًا/MTU (وحدة الطن المتري)، دون حد أعلى. وبما أن منجم سانغدونغ يهدف إلى تكلفة نقدية تبلغ 110 دولارات/MTU، فإن ذلك سيضمن تقريبًا هامش ربح مرتفع للمشروع.

مع توقيت محظوظ، شبه مثالي بين افتتاح سانغدونغ القادم وحرب تجارية جديدة بين أمريكا تحت ترامب والصين، ارتفع سعر السهم بنسبة 40% خلال يومين فقط بعد إعلان قيود تصدير التنغستن من الصين.

مع تزايد أهمية التنغستن لتطبيقات التقنية العالية، بالإضافة إلى التوترات الجيوسياسية، من المرجح أن يظل إمداد التنغستن غير الصيني مرتفعًا، آمنًا، ومستقرًا، مما سيولد علاوة ثابتة، وتكون Almonty واحدة من أقوى المستفيدين.

مرجع الدراسة:

^{1. Christean Nickel et al. (2025)  Self-optimizing Cobalt Tungsten Oxide Electrocatalysts toward Enhanced Oxygen Evolution in Alkaline Media. Angewandte Chemie. 05 فبراير 2025 https://doi.org/10.1002/anie.202424074} 

 ^{2. Hu Zhao, et al. (2024) Solar-driven sewage sludge electroreforming coupled with biological funnelling to cogenerate green food and hydrogen. Nature Water. Volume 2, pages1102–1115. https://doi.org/10.1038/s44221-024-00329-z}