اخبار اقتصادية

باحثو ستانفورد يصنعون وقود الهيدروجين من مياه البحر

يمثل تقسيم الماء إلى هيدروجين وأكسجين بديلاً للوقود الأحفوري ، لكن المياه النقية هي مورد ثمين. طور فريق بقيادة ستانفورد طريقة لتسخير مياه البحر - أكثر مصادر الأرض وفرة - للطاقة الكيميائية.

ابتكر باحثو ستانفورد طريقة لتوليد وقود الهيدروجين باستخدام الطاقة الشمسية والأقطاب الكهربائية والمياه المالحة من خليج سان فرانسيسكو.

طور Hongjie Dai ومختبره البحثي بجامعة ستانفورد نموذجًا أوليًا يمكنه توليد وقود الهيدروجين من مياه البحر

تُظهر النتائج ، التي نُشرت في 18 مارس في Proceedings of the National Academy of Sciences ، طريقة جديدة لفصل غاز الهيدروجين والأكسجين عن مياه البحر عن طريق الكهرباء. تعتمد طرق تقسيم المياه الحالية على مياه عالية النقاء ، وهي مورد ثمين وإنتاج مكلف.

من الناحية النظرية ، لتشغيل المدن والسيارات ، "تحتاج إلى الكثير من الهيدروجين بحيث لا يمكن تصور استخدام المياه النقية" ، كما قال Hongjie Dai ، J.G. جاكسون وأستاذ CJ Wood في الكيمياء في كلية العلوم الإنسانية والعلوم بجامعة ستانفورد ومؤلف مشارك في الورقة. "بالكاد لدينا ما يكفي من المياه لتلبية احتياجاتنا الحالية في كاليفورنيا."

قال داي إن الهيدروجين خيار جذاب للوقود لأنه لا ينبعث منه ثاني أكسيد الكربون. ينتج عن حرق الهيدروجين الماء فقط ويجب أن يخفف من تفاقم مشاكل تغير المناخ.

قال داي إن مختبره أظهر إثباتًا للمفهوم من خلال عرض توضيحي ، لكن الباحثين سيتركون الأمر للمصنعين لتوسيع نطاق التصميم وإنتاجه بكميات كبيرة.

معالجة التآكل

كمفهوم ، فإن تقسيم الماء إلى هيدروجين وأكسجين بالكهرباء - يسمى التحليل الكهربائي - هو فكرة بسيطة وقديمة: يتصل مصدر الطاقة بقطبين كهربائيين يوضعان في الماء. عند تشغيل الطاقة ، يخرج غاز الهيدروجين من الطرف السلبي - يسمى الكاثود - ويظهر الأكسجين القابل للتنفس في الطرف الموجب - الأنود.

لكن الكلوريد سالب الشحنة في ملح مياه البحر يمكن أن يؤدي إلى تآكل الطرف الموجب ، مما يحد من عمر النظام. أراد داي وفريقه إيجاد طريقة لمنع مكونات مياه البحر هذه من تكسير الأنودات المغمورة.

اكتشف الباحثون أنهم إذا قاموا بتغليف الأنود بطبقات غنية بالشحنات السالبة ، فإن الطبقات تصد الكلوريد وتبطئ من تحلل المعدن الأساسي.

قاموا بوضع هيدروكسيد الحديد والنيكل في طبقات فوق كبريتيد النيكل ، والذي يغطي قلبًا من رغوة النيكل. تعمل رغوة النيكل كموصل - تنقل الكهرباء من مصدر الطاقة - ويطلق هيدروكسيد الحديد والنيكل شرارة التحليل الكهربائي ، ويفصل الماء إلى أكسجين وهيدروجين. أثناء التحليل الكهربائي ، يتطور كبريتيد النيكل إلى طبقة سالبة الشحنة تحمي القطب الموجب. تمامًا كما تدفع الأطراف السالبة للمغناطيسين بعضهما البعض ، فإن الطبقة السالبة الشحنة تطرد الكلوريد وتمنعه ​​من الوصول إلى المعدن الأساسي.

بدون طلاء سالب الشحنة ، يعمل الأنود لمدة 12 ساعة فقط في مياه البحر ، وفقًا لمايكل كيني ، طالب دراسات عليا في مختبر داي والمؤلف الرئيسي المشارك في الورقة. قال كيني: "إن القطب الكهربائي بأكمله ينهار ،". "ولكن مع هذه الطبقة ، يمكن أن تستمر أكثر من ألف ساعة."

كانت الدراسات السابقة التي حاولت تقسيم مياه البحر لاستخدام وقود الهيدروجين كميات منخفضة من التيار الكهربائي ، لأن التآكل يحدث في التيارات العالية. لكن داي وكيني وزملائهم كانوا قادرين على توصيل ما يصل إلى 10 أضعاف الكهرباء من خلال أجهزتهم متعددة الطبقات ، مما يساعدها على توليد الهيدروجين من مياه البحر بمعدل أسرع.

قال داي: "أعتقد أننا سجلنا رقماً قياسياً للتيار لتقسيم مياه البحر".

أجرى أعضاء الفريق معظم اختباراتهم في ظروف معملية خاضعة للرقابة ، حيث يمكنهم تنظيم كمية الكهرباء التي تدخل النظام. لكنهم صمموا أيضًا آلة تجريبية تعمل بالطاقة الشمسية تنتج غاز الهيدروجين والأكسجين من مياه البحر التي تم جمعها من خليج سان فرانسيسكو.

وبدون التعرض لخطر التآكل من الأملاح ، يطابق الجهاز التقنيات الحالية التي تستخدم المياه النقية. قال كيني: "الشيء المثير للإعجاب في هذه الدراسة هو أننا كنا قادرين على العمل في التيارات الكهربائية التي هي نفسها المستخدمة في الصناعة اليوم".

إذا نظرنا إلى الوراء ، يمكن لداي وكيني رؤية بساطة تصميمهما. قال داي: "لو كان لدينا كرة بلورية قبل ثلاث سنوات ، لكانت قد صنعت في غضون شهر". ولكن الآن بعد أن تم التوصل إلى الوصفة الأساسية للتحليل الكهربائي بمياه البحر ، ستفتح الطريقة الجديدة الأبواب لزيادة توافر وقود الهيدروجين الذي يعمل بالطاقة الشمسية أو طاقة الرياح.

في المستقبل ، يمكن استخدام التكنولوجيا لأغراض تتجاوز توليد الطاقة. نظرًا لأن العملية تنتج أيضًا الأكسجين القابل للتنفس ، يمكن للغواصين أو الغواصات إحضار الأجهزة إلى المحيط وتوليد الأكسجين في الأسفل دون الحاجة إلى السطح للهواء.

من ناحيةنقل التكنولوجيا ، "يمكن للمرء فقط استخدام هذه العناصر في أنظمة المحلل الكهربائي الحالية ويمكن أن يكون ذلك سريعًا جدًا ،" قال داي. "الأمر ليس مثل البدء من الصفر - إنه أشبه بالبدء من 80 أو 90 في المائة."

تم تمويل هذا العمل من قبل وزارة الطاقة الأمريكية والمؤسسة الوطنية للعلوم والمؤسسة الوطنية للعلوم في الصين والمشروع الوطني للبحث والتطوير في الصين.