يتنامى اهتمام العلماء والباحثين بعملية إنتاج الهيدروجين بوصفه وقودًا مستقبليًا منخفض الكربون في سياق الجهود المتواصلة التي تستهدف من خلالها حكومات الدول تسريع وتيرة التحول الأخضر وتعزيز أمن الطاقة.
وتتوافر مصادر إنتاج تلك السلعة الإستراتيجية التي يمكن استعمالها لإنتاج الكهرباء وتخزينها وكهربة قطاعات مثل النقل الثقيل والصلب، وفق ما طالعته منصة الطاقة المتخصصة.
وفي هذا الإطار، طوّر باحثون في معهد وورسستر للفنون التطبيقية الأميركي (Worcester Polytechnic Institute) مادة لإزالة اليوريا من الماء، وربما تحويلها إلى غاز الهيدروجين.
ومعهد وورسستر هو جامعة بحثية خاصة، تركز على التدريس والبحث في الفنون التقنية والعلوم التطبيقية.
النيكل والكوبالب
عبر بناء تلك المادة التي تتألف من ذرات النيكل والكوبالت بهياكل إلكترونية مُصممة بدقة فائقة، نجح الباحثون في تمكين تلك الأكاسيد والهيدروكسيدات المعدنية الانتقالية من أكسدة اليوريا في تفاعل كيميائي كهربائي معين، وفق دراسة نشرتها مجلة رسائل الكيمياء الفيزيائية (Journal of Physical Chemistry Letters) في 15 يناير/كانون الثاني (2024).
واليوريا سماد زراعي نيتروجيني منخفض الكربون، ومنتَج طبيعي من عملية التمثيل الغذائي البشري، وقد توجد هذه المادة -كذلك- في بول جميع الثدييات بل في الدم والحليب والعرق
وفي عام 2021 شهد العالم إنتاج قرابة 180 مليون طن متري من اليوريا، غير أن مياه الصرف الزراعي الغنية باليوريا إلى جانب مياه الصرف الصحي تسببان ما يُعرف بظاهرة "التخثث"، وهي تكاثر الطحالب الضارة والمناطق الميتة منعدمة الأكسجين التي تؤثر سلبًا في البيئة المائية وصحة الإنسان.
بيئة لتخزين الهيدروجين
الخصائص الفريدة لليوريا تجعلها وسطًا محتملًا لتخزين الهيدروجين، وهو ما يمكن أن يتيح عملية إنتاجه وفق الطلب.
فعلى سبيل المثال لا تُعد اليوريا سامة، كما تتسم بدرجة ذوبان عالية في المياه، إلى جانب محتواها المرتفع من الهيدروجين (6.7% بالوزن).
ولذا يبرز التحليل الكهربائي لليوريا من أجل إنتاج الهيدروجين أكثر فاعلية في استهلاك الكهرباء مقارنة بالتحليل الكهربائي للمياه.
ولعل الجانب السلبي للتحليل الكهربائي لليوريا يتمثل دائمًا في عدم وجود محفزات كهربائية منخفضة التكلفة وعالية الكفاءة لأكسدة اليوريا بدلاً من المياه.
ومع ذلك، فإنه من خلال صنع محفزات كهربائية تتكون من ذرات النيكل والكوبالت المتفاعلة بصورة متجانسة مع هياكل إلكترونية فريدة من نوعها للأكسدة الكهربائية لليوريا، وجد فريق معهد وورسستر للفنون التطبيقية حلًا لهذه المعضلة.
آلية التقنية
ركّز الباحثون على أكاسيد وهيدروكسيدات النيكل والكوبالت المتجانسة، ووجدوا أن كلمة السر في تعزيز النشاط الكهروكيميائي لأكسدة اليوريا تتمثل في تصميم الهياكل الإلكترونية الفريدة مع الأنواع السائدة لأيون النيكل (Ni2+) وأيون الكوبالت (Co3+).
وقال كبير الباحثين في معهد وورسستر شياووي تنغ: "يُعد هذا التكوين الإلكتروني عاملًا محوريًا لتحسين انتقائية أكسدة اليوريا، لأننا نلاحظ أن التكافؤ العالي للنيكل، مثل Ni3+، يساعد بالفعل في إنتاج تفاعل سريع مع إنتاج تيار كهربائي قوي"، في بيان إعلامي تابعته منصة الطاقة المتخصصة.
وأضاف تنغ: "ومع ذلك، فإن جزءًا كبيرًا من التيار الكهربائي كان ناتجًا عن أكسدة الماء غير المرغوب فيه".
ولفهم هذا التأثير بصورة أفضل، تعاونت مجموعة تنغ مع الباحث الذي أجرى عمليات المحاكاة الحسابية في البحث آرون ديسكينز، ووجدت أن المزج المتجانس لأكاسيد وهيدروكسيدات النيكل والكوبالت أفاد في إعادة توزيع الإلكترون من أنواع Ni2+ إلى Co3+ وتحويل إلكترونات التكافؤ إلى طاقة أعلى، وبالتالي فإن محفزات النيكل والكوبالت قد جرى إعدادها بصورة أفضل، للمشاركة في الارتباط مع جزيئات اليوريا والماء.
ويرى تنغ وديسكينز والمؤلفون المشاركون، أن تلك النتائج يمكن أن تُفضي إلى استعمال اليوريا في مجاري النفايات لإنتاج الهيدروجين بكفاءة من خلال عملية التحليل الكهربائي، ويمكن كذلك استعمالها تلك التقنية لعزل اليوريا من الماء، والحفاظ على استدامة النظم البيئية على المدى الطويل، وإشعال ثورة في العلاقة بين المياه والطاقة.
يُشار إلى أن اليوريا قد أنتِجت تجاريًا في وقت مبكر من عشرينيات القرن العشرين، ومن الممكن استخلاصها من مصادر طبيعية، وينتِج الإنسان البالغ 1.5 لترًا من البول يوميًا، أي ما يعادل 11 كيلوغرامًا من اليوريا، و0.77 كيلوغرامًا من غاز الهيدروجين سنويًا.
ويمكن استعمال اليوريا سمادًا ومكملًا غذائيًا وكذلك مادة أساسية لإنتاج البلاستيك والأدوية والراتنجات (مركبات عضوية).
موضوعات متعلقة..
- أكبر مشروع لإنتاج الهيدروجين الفيروزي في أوروبا يدخل حيز التنفيذ
- أكبر مشروع لإنتاج الهيدروجين الأخضر في الأرجنتين مهدد بالفشل
- الكشف عن أكبر مشروع لإنتاج الهيدروجين من الفحم
اقرأ أيضًا..
- سباق مشروعات الهيدروجين العربية.. قائمة الـ10 الكبار بالأرقام
- إنتاج الغاز في النرويج خلال 2023 يسجل قفزة تاريخية.. ومفاجأة نفطية (رسوم بيانية)
- انخفاض صادرات الجزائر من النفط.. ومقارنة في آخر 3 سنوات
- أكبر مصدري الغاز المسال إلى أوروبا في 2023.. خبير أوابك: دولتان عربيتان بالقائمة
