مركب جديد مكثف النقص في الأكسجين ومكعَّب Pr3ZrO8-δ لإنتاج الأكسجين والهيدروجين بالتحلل الحراري على درجات حرارة متوسطة

تحويل الحرارة إلى وقود نظيف

يطلق على الهيدروجين غالبًا لقب وقود المستقبل، لكن اليوم يُنتَج معظمه من الغاز الطبيعي مما يطلق كميات كبيرة من ثاني أكسيد الكربون. تستكشف هذه الدراسة مسارًا مختلفًا: استخدام الحرارة بدلًا من الوقود الأحفوري أو كميات كبيرة من الكهرباء لاستخلاص الهيدروجين والأكسجين من الماء. يقدم الباحثون مادة صلبة جديدة يمكنها تخزين وإطلاق الأكسجين بشكل متكرر عند درجات حرارة عالية معتدلة نسبيًا، مما يفتح طريقًا نحو هيدروجين أنظف باستخدام حرارة شمسية مركزة أو حرارة نفايات صناعية.

رقصة من خطوتين مع الماء

التقنية في صميم هذا العمل هي دورة حرارية كيميائية «من خطوتين». في الخطوة الأولى، يُسخَّن مؤكسد صلب في غاز فقير بالأكسجين ليطلق بعض أكسجه. في الخطوة الثانية، يُعرض الجسم الصلب الجزئي التفريغ للبخار عند درجة حرارة أقل. مواقع الأكسجين الفارغة في الصلب تجذب الأكسجين من جزيئات الماء، تاركة وراءها غاز الهيدروجين. بتكرار هاتين الخطوتين — إطلاق الأكسجين عند درجة حرارة مرتفعة وتقسيم البخار عند درجة أقل — يمكن للمادة الصلبة نفسها أن تعمل مثل إسفنجة قابلة لإعادة الاستخدام تتنفس الأكسجين ثم تساعد في إنتاج الهيدروجين.

صلب جديد نهم للأكسجين

تركز الفرقة على مركب يُدعى Pr₃ZrO_8−δ، الذي يختصرون اسمه إلى PZO. عند درجة حرارة الغرفة، يتبلور PZO في بنية مكعَّبة بسيطة شبيهة ببنية أكسيد السيريوم الشائع الاستخدام. ومع ذلك، على خلاف قريبه، يحتوي PZO بطبيعته على عدد كبير من ذرات الأكسجين المفقودة، أو الفراغات، حتى قبل التسخين. باستخدام حيود النيوترونات والأشعة السينية، يظهر الباحثون أن هذه البنية ذات النقص العالي في الأكسجين تظل سليمة من درجة حرارة الغرفة وحتى 900 °م في كل من الهواء والغاز الخامل، ويرسمون خريطة النطاقات التي تظل فيها المادة مستقرة مقابل النطاقات التي تتحلل فيها إلى أطوار أقل نفعًا.

تخزين وإطلاق الأكسجين عند درجات أليفة أكثر

تكشف قياسات دقيقة لتغير الوزن والسلوك الكهربائي عن مقدار الأكسجين الذي يمكن لـPZO أن يتخلى عنه ويستعيده بشكل عكسي تحت درجات حرارة وأجواء غازية مختلفة. بالمقارنة مع أكسيد السيريوم، يستطيع PZO إزالة وإعادة إدخال كمية أكبر بكثير من الأكسجين عند درجة حرارة معينة، لا سيما في نطاق 600–900 °م. في اختبارات الدوران، تُسخَّن المادة إلى 900 °م في الأرجون لإطلاق الأكسجين، ثم تُبرَّد إلى 400 °م وتُعرض للبخار. على مدى عشر دورات، يقدّم PZO في المتوسط نحو 332 ميكرومول من الأكسجين و70 ميكرومول من الهيدروجين لكل غرام من المادة — متفوقًا على أكاسيد السيريوم والبيروفسكايت الرائدة، بالرغم من عمله على درجات مئوية أقل بمئات الدرجات من العديد من الأنظمة الحالية.

التطلع إلى داخل السطح العامل

لفهم لماذا يظل إنتاج الهيدروجين أقل من الحد الأقصى المسموح به بعدد فراغات الأكسجين، يستخدم المؤلفون محاكاة ميكانيكا كمية لفحص كيف يتفكك جزيء ماء على السطح الأكثر استقرارًا لـPZO. يتتبعون تسلسل أحداث: يغادر ذرة أكسجين البلورة مكوِّنة موقعًا فارغًا؛ يتصل الماء بذلك الموقع؛ ينقسم الجزيء إلى جزأين هيدروكسيل؛ وأخيرًا تتزاوج ذرات الهيدروجين وتغادر كغاز هيدروجين بينما يملأ الأكسجين الفراغ. تظهر الحسابات أن أبطأ خطوة وأكثرها استهلاكًا للطاقة هي كسر رابطة O–H معينة على السطح. هذا الاختناق يفسر لماذا تكون خطوة تقسيم الماء أبطأ من خطوة إطلاق الأكسجين.

ما معنى هذا لمستقبل الهيدروجين

بعبارات بسيطة، تقدم الدراسة مادة صلبة جديدة ومتينة يمكنها تخزين وتبادل الأكسجين بكفاءة عالية عند درجات حرارة «متوسطة» مرتفعة. وهذا يجعلها مرشحًا واعدًا لمفاعلات تعمل بالضوء الشمسي المركز أو بحرارة نفايات المصانع بدلاً من حرق الوقود الأحفوري. بينما تتفوق المادة بالفعل على المعايير الحالية في التعامل مع الأكسجين وإنتاج الهيدروجين عند درجات حرارة معتدلة، لن يتحقق كامل وعدها إلا عندما تتسارع خطوة السطح البطيئة في تقسيم الماء — على الأرجح بإضافة محفزات مناسبة أو ضبط تركيبتها. إذا نجحت تلك التحسينات، قد تساعد الأنظمة المبنية على PZO في جعل إنتاج الهيدروجين والأكسجين منخفض الكربون وعلى نطاق واسع أكثر عملية بكثير.

الاستشهاد: Lu, J., Zhang, Y., Chen, L. et al. A new highly oxygen-deficient and cubic Pr₃ZrO_8-δ for intermediate-temperature thermochemical production of oxygen and hydrogen. Nat Commun 17, 3091 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-69235-0

الكلمات المفتاحية: الهيدروجين الحراري الشمسي, مواد تخزين الأكسجين, أكاسيد نشطة بالأكسدة والاختزال, الطاقة على درجات حرارة متوسطة, دوائر انقسام الماء