تخزين H2 قابل للعكس عند درجات حرارة معتدلة بواسطة نانوكمبوزيت ثلاثي الطبقات من بوروهيدريد الليثيوم

وقود أنظف للحياة اليومية

يُشاد بالهيدروجين غالبًا كوقود نظيف يمكن أن يزوّد السيارات والشاحنات وحتى أحياء كاملة بالطاقة مع إصدار ماء فقط. لكن لجعل هذه الرؤية عملية، نحتاج طرقًا آمنة ومضغوطة لتخزين الهيدروجين على متن المركبات عند درجات حرارة معتدلة. تقدم هذه الدراسة مادة نانوية على شكل "كعكة طبقية" ذكية يمكنها احتواء وإطلاق كميات كبيرة من الهيدروجين بسهولة أكبر بكثير من السابق، مقربةً بذلك التنقل المعتمد على الهيدروجين خطوة نحو التطبيق العملي.

إسفنجة واعدة لكنها عنيدة للهيدروجين

في صلب هذا العمل يوجد بوروهيدريد الليثيوم، وهو جسم صلب قادر على تخزين كمية مثيرة للاهتمام من الهيدروجين بالنسبة للوزن والحجم، ما يجعله جذابًا للاستخدام في المركبات. المشكلة أن هذه المادة مستقرة جدًا: عادةً ما تحتاج لدرجات حرارة عالية جدًا لإطلاق الهيدروجين ولا تستعيده بسهولة، مما يضر بالكفاءة والمتانة. خلال العقدين الماضيين جرب العلماء حيلًا عديدة للتغلب على ذلك، مثل خلطها بعناصر أخرى، تقليصها إلى جسيمات نانوية، أو حجزها داخل هياكل مسامية. هذه الخطوات ساعدت، لكن درجات الحرارة ظلت مرتفعة للغاية بحيث لا يمكن تشغيلها أساسًا بنفايات حرارة خلية الوقود.

بناء ساندويتش نانوي ثلاثي الطبقات

صمم الباحثون بنية جديدة تُرتب فيها المكونات بترتيب دقيق على مقياس النانومتر. الطبقة السفلية هي ورقة غرافين، شكل رفيع جدًا وقوي من الكربون يعمل كمنصة دعم. فوقها نمت طبقة وسطى من تجمعات نيكل دقيقة، لا يتجاوز قطرها بضعة نانومترات. أخيرًا تشكلت جسيمات بوروهيدريد الليثيوم كطبقة علوية، تستقر في الغالب على النيكل بدلًا من الجلوس مباشرة على الغرافين. أكدت صور الميكروسكوب الإلكتروني الدقيقة هذا الترتيب ثلاثي الطبقات، مظهرة الغرافين في القاعدة، ونثرًا منتظمًا من تجمعات النيكل النانوية أعلاه، وطبقة من جسيمات بوروهيدريد الليثيوم في الأعلى. تم ضبط محتوى النيكل وحجم الجسيمات بحيث يبقى بوروهيدريد الليثيوم مقسَّمًا بدقة وموزعًا جيدًا.

تخزين المزيد من الهيدروجين عند درجات حرارة أكثر ملاءمة

عند اختبار الفريق لكيفية تعامل هذه المادة ثلاثية الطبقات مع الهيدروجين، كانت النتائج ملفتة. بالمقارنة مع بوروهيدريد الليثيوم النقي، انخفضت درجة الحرارة اللازمة لبدء إطلاق الهيدروجين بأكثر من 100 درجة مئوية. أمكن للمركب أن يطلق نحو 10.5٪ بالوزن من الهيدروجين (نسبةً إلى جزء بوروهيدريد الليثيوم) تحت تسخين معتدل، وفعل ذلك بسرعة أكبر بكثير من المادة غير المعدلة. والأهم من ذلك، أن المادة كانت قادرة على إعادة امتصاص الهيدروجين بدءًا من نحو 70 درجة مئوية فقط—واحدة من أدنى القيم المبلغ عنها لهذه العائلة من المواد—وتمكنت من استعادة ما يصل إلى 12.3٪ بالوزن من الهيدروجين نسبةً إلى محتواها من بوروهيدريد الليثيوم. كما تحملت على الأقل 30 دورة شحن–تفريغ مع فقد طفيف في السعة، وتجنبت الرغوة والتفتت اللذين عادة ما تصاب بهما هذه المركب عند التسخين والتبريد المتكرر.

كيف يساعد النيكل حركة الهيدروجين

لكشف سبب أداء الطبقات الثلاثي الجيد، جمع العلماء بين التجارب والحسابات الكمومية-الميكانيكية. أظهرت نماذجهم أنه عندما تجلس تجمعات غنية بالبورون من بوروهيدريد الليثيوم مباشرةً على النيكل، يعيد النيكل ترتيب شبكة البورون ويتبرع بالإلكترونات إليها. هذا يضعف روابط معينة بين ذرات البورون ويقلل الطاقة المطلوبة لاصطياف ذرات الهيدروجين، تحركها وتكوين مجموعات بورون–هيدروجين جديدة. كشفت محاكاة لجزيئات الهيدروجين تقترب من الواجهة النيكل–البورون أن الجزيء ينفصل بسهولة أكبر على النيكل، ويمكن أن تنتقل ذرات الهيدروجين الناتجة بسرعة عبر السطح وإلى المنطقة الغنية بالبورون. بالمقابل، عندما تجلس تجمعات البورون على الكربون العاري، تميل التفاعلات الإلكترونية إلى عرقلة حركة الهيدروجين. بإدخال النيكل بين الغرافين وبوروهيدريد الليثيوم، تشجع البنية تدفق الهيدروجين داخل وخارج بكفاءة مع إبقاء الجسيمات النشطة مثبتة جيدًا.

لماذا يهم هذا لمركبات الهيدروجين المستقبلية

بعبارات بسيطة، يعمل هذا النانوكمبوزيت ثلاثي الطبقات كسفنجة مهندَسة لالتقاط وإطلاق الهيدروجين عند درجات حرارة أقرب إلى ما يمكن أن توفره أنظمة خلايا الوقود الحقيقية. يوفر الغرافين دعمًا ميكانيكيًا ويساعد في التحكم بحجم الجسيمات؛ تعمل تجمعات النيكل النانوية كمراكز تفاعلية صغيرة تفصل وتنقل الهيدروجين؛ ويحمل بوروهيدريد الليثيوم كميات كبيرة من الهيدروجين بشكل مدمج. معًا، تتغلب هذه المكونات على حواجز قديمة من حيث الحرارة العالية ورداءة القابلية للعكس. وبينما هناك حاجة لمزيد من العمل لتكبير حجم المادة ودمجها في خزانات تخزين كاملة، تقدم هذه الدراسة مخططًا واضحًا لتصميم ناقلات صلبة للهيدروجين من الجيل القادم قد تجعل المركبات العاملة بالهيدروجين أكثر عملية بكثير.

الاستشهاد: Zhang, W., Zhang, X., Li, C. et al. Reversible H₂ storage at moderate temperature by a trilayered lithium borohydride nanocomposite. Nat Commun 17, 3756 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-69059-y

الكلمات المفتاحية: تخزين الهيدروجين, بوروهيدريد الليثيوم, نانوكمبوزيت, محفز النيكل, غرافين