تكوين محفزات متناثرة ذرّياً عبر تنشيط حراري مساعد شبيه بتغرّب الهيدروجين لأجل اختزال الأكسجين في الوسط الحمضي

تحويل ذرات المعدن إلى مساعدين فعّالين

تستطيع خلايا الوقود تحويل الهيدروجين إلى كهرباء مع انبعاث الماء فقط، لكنها تعتمد على محفزات مكلفة وأحيانًا هشة لتسريع تفاعل الأكسجين الأساسي. تُظهر هذه الدراسة طريقة جديدة لترتيب المعادن الثمينة مثل الروثينيوم والبلاديوم والبلاتين والذهب كذرات مفردة معزولة على الكربون، مما يزيد من كفاءتها ومتانتها بينما يقلّل من كمية المعدن المستخدمة بشكل كبير. يستعير هذا العمل فكرة من كيفية تأثر المعادن بالهيدروجين، ويطبقها لبناء "محركات" أفضل لأجهزة الطاقة النظيفة.

لماذا تهم الذرات المفردة

في العديد من تفاعلات خلايا الوقود والبطاريات، تُستخدم معادن مثل الحديد والكوبالت والمنغنيز بالفعل كذرات معزولة لتحفيز خطوات كيميائية بدقة عالية. قد يؤدي تطبيق نفس الفكرة على معادن أثقل مثل الروثينيوم والبلاتين إلى تعزيز الأداء بشكل كبير، لكن هذه المعادن تجذب بعضها بعضًا بقوة وتميل إلى التجمع في عناقيد أو جسيمات نانوية. عندما يحدث ذلك، فإن الذرات الموجودة على السطح فقط هي التي تشارك في التفاعل ويُهدر جزء كبير من المعدن المكلف. التحدّي هو تفكيك هذه المعادن إلى ذرات منفصلة ومنع إعادة اندماجها أثناء درجات الحرارة العالية المطلوبة لصناعة محفزات عملية.

استخدام الهيدروجين لتفكيك العناقيد

استلهم الباحثون فكرتهم من تغرّب الهيدروجين، وهي مشكلة معروفة حيث يتسلل الهيدروجين إلى المعادن ويسبب تشققها. في تصميمهم، تُحتجز عناقيد صغيرة من معدن نبيل داخل مادة كربونية مسامية غنية بالنيتروجين. عند تسخين المادة بتدفق غازي من الهيدروجين، تتسلل ذرات الهيدروجين إلى العناقيد المعدنية وتدفع ذرات المعدن قليلاً بعيدًا عن بعضها. تُظهر الحسابات الحاسوبية أن حالة الامتلاء بالهيدروجين تخفض حاجز الطاقة لخروج ذرة من العناقيد والانتقال إلى موقع نيتروجين مجاور في الكربون. تؤكد التجارب باستخدام مجاهر إلكترونية عالية الدقة وتقنيات الأشعة السينية أنه مع ارتفاع درجة الحرارة تتقلص العناقيد المعدنية وتختفي في النهاية، لتُستبدل بذرات مفردة معزولة كلٌ منها مرتبطة بأربعة ذرات نيتروجين في الكربون.

أداء محفز الروثينيوم في وسط حمضي قاسٍ

لاختبار فعالية هذه الاستراتيجية في أجهزة حقيقية، ركز الفريق على الروثينيوم كنموذج لمعدن تفاعل اختزال الأكسجين في ظروف حمضية، وهو الوسط المتطلب داخل العديد من خلايا الوقود ذات غشاء التبادل البروتوني. أنتجت عينة مسخنة حتى 950 درجة مئوية تحت الهيدروجين صفًا كثيفًا من مواقع الروثينيوم المفردة وأظهرت نشاطًا أعلى بكثير لاختزال الأكسجين مقارنة بالمادة المعالجة دون هيدروجين. في اختبارات الإلكترود الدوار اقترب أداؤها من أداء محفزات البلاتين التجارية مع تحقيق تحويل أكسجين إلى ماء عبر أربع إلكترونات تقريبًا وبكمية ضئيلة من بيروكسيد الهيدروجين كمنتج ثانوي. كما احتفظ محفز الروثينيوم بنشاطه بعد 30,000 دورة اختبار، متفوقًا بكثير على محفز قائم على الحديد من الدرجة المتقدمة.

من محفز نموذجي إلى خلية وقود عاملة

بنى الفريق بعد ذلك خلايا وقود كاملة باستخدام محفز الروثينيوم المعالج بالهيدروجين في الكاثود. تحت ظروف هيدروجين-هواء عملية، وصلت الخلايا إلى مخرجات طاقة مساوية أو متفوقة على العديد من الأنظمة المعلنة غير المعتمدة على البلاتين أو الحديد، وقدمت ذلك بكفاءة جيدة. ومن المهم أنه بعد 30,000 تبديل سريع للجهد لمحاكاة الاستخدام المكثف، احتفظت الخلية القائمة على الروثينيوم بأكثر من أربعة أخماس أقصى طاقة لها، بينما فقدت الخلية القائمة على الحديد نحو النصف. تشير اختبارات كيميائية إضافية ومحاكيات إلى أن مواقع الروثينيوم مرتبطة بالكربون بشكل أقوى وأقل عرضة لتوليد أنواع تفاعلية يمكن أن تتلف الدعامة والغشاء الناقل للأيونات.

وصفة جديدة لمواد طاقة نظيفة مستقبلية

لغير المتخصص، الرسالة الأساسية هي أن الاستخدام الدقيق للهيدروجين أثناء المعالجة الحرارية يمكن أن يفكك بلطف عناقيد المعادن الثمينة ويُثبّت الذرات المفرّجة على داعم مستقر. هذه الفكرة البسيطة تحول تأثيرًا غير مرغوب فيه يضعف المعادن إلى أداة لبناء محفزات عالية الكفاءة وطويلة العمر باستخدام معدن أقل تكلفة بكثير. وبما أن الطريقة تعمل أيضًا مع البلاديوم والبلاتين والذهب، فإنها تقدم وصفة عامة لتصميم مواد أفضل لخلايا الوقود وتكنولوجيات طاقة أخرى تعتمد على تفاعلات أكسجين نظيفة وفعّالة.

الاستشهاد: Guo, P., Dai, Y., Zhang, Y. et al. Synthesis of atomically dispersed catalysts via hydrogen embrittlement-like assisted thermal activation for acidic oxygen reduction. Nat Commun 17, 4701 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-71340-z

الكلمات المفتاحية: محفز ذرة مفردة, اختزال الأكسجين, خلايا الوقود, محفز الروثينيوم, معالجة بالهيدروجين