تأثير الضغط المفرط على أقطاب الانتشار الغازي في محولات CO2 الكهربائية القلوية بدون فجوة

لماذا يهم ضغط أجهزة الطاقة النظيفة

تحويل ثاني أكسيد الكربون (CO2) إلى وقود ومواد كيميائية مفيدة باستخدام الكهرباء يمكن أن يساهم في خفض انبعاثات غازات الدفيئة، لا سيما إذا كانت الكهرباء مأخوذة من مصادر متجددة. العديد من أجهزة التحويل من CO2 إلى وقود الأكثر واعدة مبنية على شكل شرائح رقيقة مسامية يجب تثبيتها بإحكام. تُظهر هذه الدراسة أن الضغط المفرط على إحدى هذه الطبقات—قطب الانتشار الغازي في محول CO2 قلوي بدون فجوة—يمكن أن يأتي بنتائج عكسية، إذ يسد مسارات الغاز، ويشجع على تغلغُل السائل وتكوّن الأملاح، ويضعف في النهاية الكفاءة والاستقرار. إن إيجاد مستوى الضغط «المناسب تمامًا» يتبيّن أنه رافعة بسيطة لكنها قوية لتحسين الأداء.

كيف تحوّل هذه الأجهزة CO2 إلى وقود

تركز العمل على محولات CO2 الكهربائية القلوية بدون فجوة، وهي نوع من الأجهزة يدخل فيه غاز CO2 مرطب من جهة (القطب السالب) ويتدفق محلول سائل من الجهة الأخرى (القطب الموجب). بينهما تقع غشاء رفيع وقطبان مساميان لنقل الغاز يجمعان الغازات والسوائل والإلكترونات معًا عند مواقع الحفاز. عند القطب السالب يتحول CO2 بشكل أساسي إلى أول أكسيد الكربون (CO)، وهو عنصر بناء مفيد للوقود والمواد الكيميائية، بينما يكون غاز الهيدروجين (H2) منتجًا جانبيًا غير مرغوب فيه. لكي يعمل الجهاز بكفاءة، يجب أن يصل غاز CO2 إلى الحفاز، وأن لا تغمر السوائل المسام، وأن لا تتكوّن بلورات ملحية داخل القطب. يغيّر الضغط الميكانيكي—مدى إحكام المجمّع—بشكل مباشر سمك المسامي ومساميته، وبالتالي كل عمليات النقل هذه.

متى يسبب التشديد إحكامًا غير مرئي

قارن الباحثون ثلاث مستويات ضغط لقطب الانتشار الغازي عند القطب السالب: انخفاض في السمك بنسبة 10% و20% و30%. باستخدام تصوير أشعة سينية سريع في سينكروترون، راقبوا في الوقت الحقيقي كيف توزعت السوائل القادمة من جهة القطب الموجب، والماء المكثف، وترسبات الأملاح الصلبة داخل القطب السالب. عند أعلى ضغط، 30%، أصبحت مسامات القطب أكثر التواءً وأقل انفتاحًا. أظهرت بيانات الامتصاص بالأشعة السينية تراكمًا أكبر للسائل والأملاح المركزة خصوصًا قرب منطقة الحفاز وعند الواجهة التي يدخل عندها الغاز أولًا إلى الطبقة المسامية. هذا خلق جيوبًا محلية من السائل والملح المحبوس والتي سدت تدفق CO2، وهو نوع من الاختناق المجهري الذي ازداد سوءًا بمرور الوقت.

قياس خسائر الأداء من الداخل إلى الخارج

لربط هذه التغيرات الداخلية بأداء العالم الحقيقي، شغّل الفريق المحول عند كثافة تيار ملائمة للصناعة بينما تتبعوا فرق الجهد الخلوي ومكونات المقاومية وتوزيع النواتج. عند ضغط 30% تقلب جهد الخلية بشدة، بما يتوافق مع تدفق مرحلتين غير مستقر حيث يُحجب الغاز بشكل متقطع بفعل السائل. كشفت قياسات المقاومة الكهروكيميائية أن مقاومة نقل الكتلة—مدى صعوبة وصول المتفاعلات إلى مواقع التفاعل—كانت أكثر من سبع مرات أعلى عند ضغط 30% مقارنة بـ10% بنهاية الاختبار. رُبط هذا الارتفاع بتراكم الأملاح وليس بمشاكل في القطب الموجب، الذي أظهر تغيرًا طفيفًا فقط في توزيع السائل. على النقيض من ذلك، تغيّر المقاومة الأومية، المتعلقة بالتوصيل الكهربائي البسيط، قليلًا مع الضغط، مما يشير إلى أن الضغط المفرط يضر أساسًا بنقل الغاز–السائل أكثر من التأثير على الموصلية الأساسية.

إيجاد المستوى الأمثل لإنتاج الوقود

قاس الفريق أيضًا مدى اختيارية الجهاز لإنتاج CO بدلًا من H2 خلال تشغيل لمدة 90 دقيقة. في البداية، أظهرت الأقطاب المضغوطة بشدة إنتاج CO أعلى بعض الشيء، ربما لأن مسافات الانتشار الأقصر فضّلت وصول CO2 مؤقتًا. لكن مع تراكم السائل والملح في المسامات المحدودة، انخفض إنتاج CO بشكل حاد، بينما ارتفع إنتاج H2 ثم استقر، ما يشير إلى أن CO2 كان يُحجب أكثر بينما ظل الماء يصل إلى الحفاز. الحالة ذات الضغط الخفيف (10%) بدأت بكسرة CO أقل لكنها حافظت عليها بثبات أكبر بكثير، وأنهت الاختبار بأعلى كفاءة متوسطة لإنتاج CO وتدهور أداء أقل. هذا يدل على أن بنية المسام الأكثر انفتاحًا وأقل التواءًا توازن بصورة أفضل وصول الغاز ووجود السائل وإدارة الأملاح مع مرور الزمن.

ماذا يعني هذا لتحويل CO2 أنظف

من الناحية العملية، تُظهر هذه الدراسة أن «المزيد من الضغط» ليس دائمًا أفضل عند تجميع محولات CO2 الكهربائية. مستوى ضغط معتدل بحوالي 10% كان كافيًا للحفاظ على اتصال جيد بين الطبقات مع إبقاء مسارات مفتوحة لغاز CO2 والحد من احتباس السائل والأملاح. الضغط المفرط على قطب الانتشار الغازي ضغط القنوات التي يعتمد عليها الجهاز في «التنفس»، مما أدى إلى جهود كهربائية غير مستقرة، وخسائر نقل أعلى، وفقدان أسرع للأداء الانتقائي نحو CO. من خلال ضبط الضغط الميكانيكي بعناية—وهو معلمة تصميم منخفضة التكلفة—يمكن للمهندسين إطالة عمر الجهاز، وتثبيت التشغيل عند تيارات عالية، وتقريب التحليل الكهربائي لـCO2 من النشر الصناعي القابل للتطبيق.

الاستشهاد: Farsi, A., Batta, V., Tugirumubano, A. et al. Impact of over compressing gas diffusion electrodes in alkaline zero-gap CO₂ electrolyzers. Sci Rep 16, 12443 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-42959-1

الكلمات المفتاحية: التحليل الكهربائي لـ CO2, قطب انتشار غازي, الضغط الميكانيكي, نقل الكتلة, التحويل الكهروكيميائي