أقطاب هجينة من أكسيد التنجستن المُفسفر@بوليانيلين على رغوة النيكل لمكثف فائق ثنائي الوظيفة وأكسدة الميثانول

مواد أكثر ذكاءً لتخزين وإنتاج طاقة نظيفة

تعمل الحياة الحديثة بالكهرباء، لكن البطاريات وتقنيات الوقود الحالية غالباً ما تكون ضخمة أو بطيئة في الشحن أو مكلفة جداً. تُقدّم هذه الدراسة مادة جديدة «ثنائية الوظيفة» يمكنها تخزين الطاقة مثل بطارية فائقة السرعة وطويلة العمر، وفي الوقت نفسه تسهم في تحويل الوقود السائل إلى كهرباء بكفاءة أعلى. من خلال تكديس طبقات مختلفة من مواد شائعة ونفيسة بعناية، بنى الباحثون بنية صغيرة قد تجعل الأجهزة المستقبلية وأنظمة الطاقة النظيفة أصغر وأسرع وأرخص.

بناء إسفنجة طاقة مكثفة

في صلب هذا العمل يوجد قطب مهندس بعناية—وهو الجزء من الجهاز الذي تحدث فيه التفاعلات الكهربائية. يبدأ العلماء برغوة النيكل، معدن يشبه الإسفنجة الصلبة المليئة بالفراغات. يقومون بنمو بلورات إبرية من أكسيد التنجستن على هذه الرغوة، ثم يحولونها جزئياً إلى فوسفيد التنجستن، وهو مركب ذو موصلية كهربائية أفضل ويقدّم مواقع تفاعلية أكثر. بعد ذلك يغطّون هذه النانواِبر بطبقة رقيقة من البلاستيك الموصّل بولي أنيلين. هذا التصميم الطبقي يخلق شبكة ثلاثية الأبعاد مسامية للغاية تسمح للأيونات والإلكترونات بالحركة السريعة، بينما يوفر مساحة سطح كبيرة للتفاعلات.

لماذا يخزن هذا الهجين شحنة كبيرة

يجمع هذا الهجين بين فوسفيد التنجستن والبوليانيلين، وهو ما يفسّر الأداء القوي للمادة كمكثف فائق—جهاز يشحن ويفرغ أسرع بكثير من البطارية التقليدية. توفر مركبات التنجستن مواقع اختزال/أكسدة غنية—أماكن يمكنها استقبال وإطلاق الإلكترونات—بينما يعمل البوليانيلين كطريق سريع ومرن للشحنات الكهربائية. أظهرت الاختبارات في محلول قلوي مائي أن القطب الهجين يمكنه الاحتفاظ بشحنة ملحوظة تبلغ 1210 كولوم لكل غرام عند تيار معتدل، وهو كثير بالنسبة لكل من المكوّنات بمفردها. وحتى عند دفع الجهاز لسرعات شحن/تفريغ أعلى بكثير، يحتفظ بمعظم سعته، بفضل البنية المفتوحة المشابهة للإسفنجة التي تسمح للأيونات في السائل بالوصول إلى أعماق المادة.

من قطب منفرد إلى جهاز عملي

لمعرفة كيفية تصرّف هذه المادة في بيئة عملية، بنى الفريق مكثفاً فائقاً غير متماثل. استخدموا قطبهم الهجين كجهة موجبة وفحم مفعل شائع—يشبه ذلك المستخدم في مرشحات المياه—كجهة سالبة، مع فاصل ورقي ونفس المحلول القلوي. يمكن تشغيل هذا الجهاز بأمان عبر نطاق جهد واسع، وهو أمر حاسم لتخزين طاقة أكبر. قدّم كثافة طاقة تقارب 60 واط-ساعة لكل كيلوغرام، وهي قيمة قابلة للمقارنة مع بعض تقنيات البطاريات، بينما يزال يوفر دفعات طاقة سريعة نموذجية للمكثفات الفائقة. بعد 10,000 دورة شحن–تفريغ، حافظ الجهاز على نحو 90 بالمئة من سعته الأصلية، مما يشير إلى أن البنية الطبقية تقاوم التشققات والتحلل التي غالباً ما تصيب مثل هذه المواد مع مرور الوقت.

مساعدة خلايا الوقود على تحويل الميثانول إلى طاقة

تعمل نفس البنية أيضاً كمنصة قوية لتحويل الميثانول، وهو وقود سائل، إلى كهرباء في خلايا الوقود القلوية. لأداء هذه المهمة، أضاف الباحثون رشّة رقيقة جداً من جسيمات البلاتين النانوية على طبقة البوليانيلين. البلاتين هو المعيار الذهبي كمحفز لأكسدة الميثانول، لكنه نادر ومكلف، لذا فإن استخدامه بكفاءة أمر حيوي. يساعد البوليانيلين الغني بالنيتروجين على تثبيت البلاتين كجسيمات صغيرة ومتباعدة جيداً، ويوفّر فوسفيد التنجستن مساعدات كيميائية إضافية تُسهّل إزالة بقايا الكربون التي قد تسد السطح. نتيجة لذلك، يظهر القطب الهجين نشاطاً أعلى بكثير—بنحو مرتين ونصف تياراً لكل وحدة بلاتين—مقارنة بقطب مشابه دون طبقة التنجستن، ويحافظ على أكثر من 80 بالمئة من نشاطه بعد 1000 دورة اختبار.

ماذا يعني هذا لأجهزة الطاقة المستقبلية

بعبارات بسيطة، بنى الباحثون نوعاً من قطب «جيوب الماوية»: من دون أي معادن نفيسة يعمل كمادة تخزين طاقة عالية الأداء وطويلة العمر، ومع إضافة كمية ضئيلة من البلاتين يصبح محفزاً فعالاً ومتيناً لخلايا وقود الميثانول. قد يساعد هذا التصميم ثنائي الغرض على تقليل عدد المواد المختلفة المطلوبة في أنظمة الطاقة المتقدمة والحد من استخدام المعادن المكلفة. بينما ما يزال هناك عمل مطلوب لتوسيع نطاق التكنولوجيا واختبارها في أجهزة كاملة، تشير الدراسة إلى مكوّنات مدمجة ومتعددة الوظائف قد تدعم الجيل القادم من الإلكترونيات المحمولة وأنظمة الطاقة النظيفة.

الاستشهاد: Adriyani, T.R., Ensafi, A.A. Phosphidated tungsten oxide@polyaniline hybrid electrode on nickel foam for dual-function supercapacitor and methanol oxidation. Sci Rep 16, 7008 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-38573-w

الكلمات المفتاحية: المكثف الفائق, خلايا الوقود, مواد الأقطاب, البوليمر الموصّل, أكسدة الميثانول