أقطاب انتشار غازيّة خالية من الأيونومر بأداء عالٍ وتحميل بلاتين منخفض لتحليل مياه بغشاء تبادل البروتون

تحويل الماء إلى وقود مع كمية أقل من المعادن الثمينة

يُروَّج للهيدروجين المنتج من الماء والكهرباء المتجددة غالبًا كوقود نظيف للصناعات الثقيلة والشحن والتخزين طويل الأمد للطاقة. لكن أكثر الأجهزة كفاءة حالياً لتفكيك الماء تعتمد على كميات كبيرة من البلاتين، أحد أندر وأغلى المعادن على الأرض. تُظهر هذه الدراسة طريقة لاستخدام بلاتين أقل بنحو مئة مرة تقريباً على أحد جانبي هذه الأجهزة، من دون التضحية بالأداء أو الثبات، ما يقرب إنتاج الهيدروجين الأخضر خطوة أقرب إلى القابلية الاقتصادية.

لماذا يقلّص استخدام البلاتين مهم

تعمل أجهزة تحليل الماء بغشاء تبادل البروتون الحديثة—أجهزة مدمجة تفكك الماء إلى هيدروجين وأكسجين—بكفاءة لكنها تعتمد بشكل كبير على فلزين نفيسين نادرين. يقود الإيريدوم تفاعل تكوّن الأكسجين عند الأنود، بينما يشغّل البلاتين تكوّن الهيدروجين عند الكاثود. على الرغم من أن البلاتين محفز ممتاز في المختبر، فإن كثيرًا منه في الأجهزة الفعلية يكون مدفونًا في طبقة سميكة مخلوطة بمُرَبط موصل للأيونات شبيه بالبلاستيك. جزء ضئيل فقط من المعدن يلامس الماء والغاز والغشاء في الوقت نفسه، وهو ما يلزم لحدوث التفاعل. ونتيجة لذلك، يعوّض المصنعون بإضافة المزيد من البلاتين، مما يزيد التكلفة والطلب على المواد.

طريقة خطوة واحدة لوضع الذرات بدقة

عالج الباحثون هذه المشكلة بإعادة التفكير في كيفية بناء الكاثود. بدلًا من تحضير حبر سائل ورشه على داعم، استخدموا تقنية غازية تُسمى الترسيب بطبقات ذرية (ALD). في ALD، يتعرض السطح لنبضات متبادلة من بخار يحتوي على البلاتين وغاز تفاعلي، مما يسمح لنواة البلاتين بالنمو كجسيمات نانوية صغيرة ومعزولة طبقة بعد أخرى. طبقوا هذه العملية مباشرة على طبقة انتشار غازي تجارية—ورقة كربونية مسامية تسمح بتدفق الماء والغاز—قد تكون مغطاة بخيار بطبقة متناهية النحافة «طبقة مسامية دقيقة» تُسوّي السطح. عن طريق ضبط عدد دورات ALD، استطاعوا التحكم في عدد ذرات البلاتين وقياس حجم الجسيمات، بدقة وصلت إلى النانومتر.

بناء طبقة كاثود أنحف وأكثر ذكاءً

أكّدت الصور الدقيقة وتحليل السطح أن طريقة ALD أنتجت جسيمات بلاتين متجانسة تجلس أساسًا على السطح الخارجي للداعم بدلًا من التغلغل عميقًا بالداخله. على الطبقة المسامية الدقيقة كانت الجسيمات صغيرة وموزعة بالتساوي، وغالبًا أحجامها أقل من نانومترين عند أدنى تحميل للمعدن. وبما أن هذه الطبقة الرقيقة والملساء تُحسّن التلامس مع الغشاء البوليمري مع حفاظها على كراهية للماء، فإنها تساعد فقاعات الهيدروجين على الخروج وتبقي الماء النظيف يتدفق إلى المواقع النشطة. أظهرت الاختبارات الكهربائية في خلايا التحليل الكاملة أن هذه الأقطاب الجديدة، حتى مع كميات بلاتين منخفضة للغاية تتراوح بين حوالي 1 و5 ميكروغرام لكل سنتيمتر مربع، يمكن أن تضاهي أو تتفوق على الأقطاب المرجعية التجارية التي تحتوي على محتوى بلاتين أعلى بأكثر من مئة مرة.

الأداء والكفاءة وقدرة التحمل

لفهم كيف ولماذا يعمل التصميم الجديد جيدًا، قسمت الفريق جهد الخلية إلى مساهمات من سرعة التفاعل والمقاومة الكهربائية ونقل الغاز. وجدوا أنه عندما وُضع البلاتين على طبقة مسامية دقيقة باستخدام ALD، ظلت سرعة تفاعل تكوين الهيدروجين قابلة للمقارنة مع الأقطاب التقليدية الغنية بالبلاتين، على الرغم من انخفاض محتوى المعدن بشكل جذري. وفي الوقت نفسه، قللت منطقة المحفز الأرفع والمنظمة جيدًا من مشاكل تراكم الغاز التي قد تهدر الطاقة. وعند تطبيع الأداء على كتلة البلاتين الفعلية، برزت الميزة بشكل واضح: أظهرت أفضل أقطابهم الخالية من الأيونومر نشاطًا كتلويًا أعلى بما يصل إلى ثلاثة أوامر من العظمة مقارنة بالأجهزة التجارية المعيارية وتفوقت على أفضل النتائج المبلغ عنها حتى الآن في الأدبيات العلمية.

إثبات المتانة تحت ظروف واقعية

استخدام بلاتين أقل لا معنى له إلا إذا ظل الجهاز مستقرًا أثناء الاستخدام طويل الأمد وتحت تقلبات الطاقة المميزة لطاقة الرياح والشمس. لذلك شغّل الفريق أفضل أقطابهم لمدة 200 ساعة عند تيار عالٍ، يعادل معدلات إنتاج هيدروجين ذات صلة صناعيًا. ظل جهد الخلية شبه ثابت، مع تدهور طفيف للغاية. في اختبار منفصل حلق تقلبات شديدة في مدخل الطاقة—بتبديل جهد الخلية بين قيم منخفضة وعالية لمدة 25,000 دورة—أظهرت الأقطاب مجددًا خسائر أداء طفيفة فقط. أشارت القياسات الكهربائية قبل وبعد هذه الاختبارات إلى أن لا النشاط الجوهري للبلاتين ولا المقاومة الكلية للخلية تغيّرا بشكل ملحوظ.

ماذا يعني هذا بالنسبة للهيدروجين الأخضر

بعبارة بسيطة، تُظهر هذه العملة كيف «نستخدم كل ذرة بحكمة». بوضع البلاتين تمامًا حيث يلزم—in طبقة رقيقة جدًا عند واجهة داعم مسامي أملس والغشاء—يحقق الباحثون نفس إنتاجية الهيدروجين مع تقليل البلاتين في الكاثود بنحو 99.5% مقارنةً بتصميمات السوق الحالية. وبما أن عملية ALD قابلة للتكييف للإنتاج على خطوط اللفّ (roll-to-roll)، على غرار طباعة الصحف، فإنها تقدم مسارًا واقعياً نحو التصنيع بكميات كبيرة. إذا ما جُمعت هذه التقدّمات مع جهود موازية لتقليل استخدام الإيريدوم عند الأنود، فقد تجعل مثل هذه التطورات إنتاج الهيدروجين الأخضر واسع النطاق والكفء ممكنًا تقنيًا واقتصاديًا.

الاستشهاد: Chen, M., Piechulla, P.M., Mantzanas, A. et al. High-performance ionomer-free gas diffusion cathodes with low Pt loading for proton exchange membrane water electrolysis. Commun Mater 7, 67 (2026). https://doi.org/10.1038/s43246-026-01076-2

الكلمات المفتاحية: الهيدروجين الأخضر, تحليل الماء كهربائياً, حافز بلاتين, ترسيب بطبقات ذرية, قطب انتشار الغاز