دراسات كيمياء كهربائية على السخام الكربوني المستخرج من Cocos nucifera (زيت شعر جوز الهند) كمادة قطب لتطبيق مكثف مزدوج الطبقة باستخدام إلكتروليت NaPF6 غير مائي

تحويل زيت جوز الهند اليومي إلى تخزين طاقة ذكي

تخيّل أن نفس زيت جوز الهند المستخدم عادة للعناية بالشعر يمكن أن يساعد في تزويد الإلكترونيات المستقبلية بالطاقة ودعم أنظمة طاقة أنظف. تستعرض هذه الدراسة كيف يمكن حرق زيت شعر جوز الهند العادي لإنتاج مسحوق أسود ناعم، يُسمى السخام، ثم تحويله إلى مادة واعدة للمكثفات الفائقة — أجهزة تشحن وتفرغ أسرع بكثير من البطاريات التقليدية. من خلال معالجة هذه المادة بعناية، يبيّن الباحثون أنها قادرة على تخزين كميات كبيرة من الطاقة الكهربائية بينما تظل منخفضة التكلفة وقابلة للتوسع وصديقة للبيئة.

لماذا يهم التخزين السريع للطاقة

يتطلب الطلب المتزايد على الطاقة النظيفة وجود أجهزة قادرة على التقاط وإطلاق وتوزان الطاقة الكهربائية بسرعة. تملأ المكثفات الفائقة فجوة خاصة بين البطاريات التقليدية والمكثفات البسيطة: فهي قادرة على توفير طاقة عالية خلال فترات قصيرة وتتحمّل آلاف دورات الشحن–التفريغ. مع ذلك، لجعلها عملية وميسورة على نطاق واسع نحتاج مواد أقطاب رخيصة ومتاحة وسهلة المعالجة. جذبت الكربونات المشتقة من النفايات مثل الزيوت والكتلة الحيوية الاهتمام لأنها تحول مواد يومية أو مهملة إلى مكونات متقدمة لتخزين الطاقة.

من اللهب إلى كربون وظيفي

بدأ الباحثون بحرق زيت شعر جوز الهند في لهب مفتوح صغير باستخدام فتيلة قطنية ومصباح من الطين. لوح معدني وُضع فوق اللهب جمع السخام الصاعد، الذي شكّل طبيعيًا جزيئات كربونية كروية ومصفوفة على طبقات دقيقة. لا تتطلب طريقة «التوليف باللهب» هذه غازات خاصة أو معدات معقّدة. بعد الجمع، خُلط السخام الخام بعوامل كيميائية — كلوريد الزنك (ZnCl₂) أو هيدروكسيد البوتاسيوم (KOH) — وسُخن إلى 900 °م في بيئة مسيطر عليها. عملية التنشيط هذه نقشت وأعادت تنظيم الكربون، ففتحت متاهة من المسامات وصقلت البنية الداخلية. أكدت قياسات حيود الأشعة السينية، والمجهر الإلكتروني، وامتصاص الغاز، واختبارات كيمياء السطح أن التنشيط غيّر ترتيب البلورات بشكل طفيف، وصغر حجم التكتلات، وزاد كثيرًا من المساحة السطحية المتاحة.

بناء إسفنج أفضل لأيونات

المفتاح في قطب مكثف فائق جيد هو توفير سطح داخلي هائل يمكن للأيونات في الإلكتروليت السائل الوصول إليه بسرعة. طور السخام المعالج بـ KOH شبكة مسامية تشبه الإسفنج بدرجة عالية، مع مسامات دقيقة ومتوسطة تسمح للأيونات بالحركة الداخلة والخارجة بكفاءة. ارتفعت مساحته السطحية إلى أكثر من ثمانية أضعاف السخام غير المعالج، وأصبح نظام المسامات أكثر ترابطًا وانفتاحًا مقارنةً بالعينة المعالجة بكلوريد الزنك. أظهرت التحليلات الكيميائية أن التنشيط ضبط أيضًا التوازن بين أشكال الكربون المختلفة ومجموعات محتوية على الأكسجين، مما ساعد على الحفاظ على التوصيلية الكهربائية وحسّن التفاعل مع الإلكتروليت.

اختبار المكثف الفائق المستند إلى جوز الهند

لمعرفة مدى فاعلية المواد الجديدة عمليًا، صنع الفريق مكثفات كهربائية مزدوجة الطبقة متماثلة، حيث شكل القطبان من نفس الكربون المستخرج من جوز الهند الممزوج بكمية صغيرة من مادة موصلة وملزم. استُخدم إلكتروليت ملحي صوديومي غير مائي، مما أتاح التشغيل في نافذة جهد 0–1 فولت. كانت منحنيات الشحن–التفريغ تقريبًا مثلثية الشكل كما هو متوقع للمكثفات المثالية، وأظهرت الفولتمتر الدوري أشكالًا شبه مستطيلة حتى عند معدلات مسح أعلى، مما يدل على حركة أيونات سريعة وعكسية. كشفت قياسات المعاوقة عن مقاومة داخلية منخفضة نسبيًا، لا سيما للعينة المفعلّة بـ KOH، ما يعني أن الأيونات يمكنها الوصول بسهولة إلى شبكة المسامات الداخلية.

كمية الطاقة التي يمكن لهذا الكربون من جوز الهند أن يخزنها

من بين جميع المواد المختبرة، برز السخام المعالج بـ KOH. قدّم سعوية نوعية بنحو 176 فارادًا لكل غرام عند تيار منخفض، إلى جانب كثافة طاقة تقارب 6.1 واط-ساعة لكل كيلوجرام وكثافة قدرة قصوى تقارب 395 واطًا لكل كيلوجرام. بينما هذه الطاقة أقل من طاقة العديد من البطاريات، فإن قدرة التسليم والقدرة على التحمل خلال الدورات — حيث احتفظ بحوالي ثلاثة أرباع سعويته بعد أكثر من 2000 دورة سريعة — تجعله جذابًا للتطبيقات التي تتطلب دفعات طاقة سريعة، مثل تمليس القدرة في أنظمة الطاقة المتجددة، والكبح المتجدد، أو دعم الطوارئ للإلكترونيات الحساسة.

من زيت المطبخ إلى تكنولوجيا خضراء

بشكل مبسط، تُظهر هذه الدراسة أن منتجًا منزليًا مثل زيت شعر جوز الهند يمكن تحويله إلى مادة كربونية مصقولة مناسبة للمكثفات الفائقة عالية الأداء. تعتمد العملية على خطوة لهب بسيطة يتبعها تنشيط كيميائي، ويمكن أن تستخدم حتى الزيت المنتهي الصلاحية أو غير الصالح للأكل، مما يساعد في تقليل النفايات. بدمج مكوّنات منخفضة التكلفة مع سلوك تخزين طاقة قوي، يقدّم السخام الكربوني المستخرج من زيت جوز الهند مسارًا نحو مكونات أكثر خضرة واستدامة لأجهزة الطاقة المستقبلية.

الاستشهاد: Tyagi, A., Kumari, R., Gupta, R. et al. Electrochemical studies on Cocos nucifera (coconut hair oil) derived carbon soot as an electrode material for EDLC application using non-aqueous NaPF₆ electrolyte. Sci Rep 16, 12139 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-42749-9

الكلمات المفتاحية: كربون زيت جوز الهند, أقطاب المكثفات الفائقة, سخام الكربون المنشط, تخزين طاقة مستدام, مكثف مزدوج الطبقة الكهربائي