Language
Country/Area
No result found
معجزة بدون محفزات المعادن الثمينة: كيف يمكن للتحليل الكهربائي AEM تحقيق إنتاج هيدروجين فعال من حيث التكلفة؟
تحليل AEM الكهربائي هو تقنية تستخدم غشاء شبه نافذ لتوصيل أيونات الهيدروكسيد (OH−) لإجراء تحليل كهربائي للماء.
المزايا التقنية
إن الميزة الأكبر لتحليل AEM هي أنه يمكن استخدام محفزات المعادن الانتقالية منخفضة التكلفة بدلاً من محفزات المعادن الثمينة باهظة الثمن. ويأتي هذا على النقيض من تقنية التحليل الكهربائي لغشاء التبادل البروتوني (PEM)، والتي تعتمد على المعادن النادرة مثل البلاتين والروثينيوم كمحفزات، مما يجعل تقنية التحليل الكهربائي لغشاء التبادل البروتوني غير قابلة للتطبيق اقتصاديًا. على سبيل المثال، من المتوقع أن يتطلب جهاز التحليل الكهربائي بتقنية PEM بقدرة 100 ميغاواط 150 كيلوغراماً من الروثينيوم، وهو ما سيؤدي إلى تكلفة تقدر بنحو 7 ملايين دولار.
يمكن تشغيل أقطاب جهاز التحليل الكهربائي AEM في الماء النقي أو المحاليل القلوية قليلاً (مثل 0.1-1M KOH/NaOH)، مما يقلل من خطر التسرب.
مقارنة بتكنولوجيا التحليل الكهربائي للماء القلوي التقليدية (AWE)، فإن التحليل الكهربائي AEM يتمتع بمرونة أعلى ويحسن استخدام المحفز. ويشير التقرير إلى أن متطلبات الجهد الكهربي لجهاز التحليل الكهربائي AEM عند التشغيل على مصدر مياه نقية بدون محفزات معدنية ثمينة هي 1.8 فولت، بينما تكون هناك حاجة إلى 1.57 فولت فقط عند استخدام محلول 1M KOH. يوضح هذا أن جهاز التحليل الكهربائي AEM يتمتع بأداء جيد من حيث كفاءة الطاقة.
التحديات الحالية
على الرغم من أن تقنية التحليل الكهربائي AEM تظهر إمكانات كبيرة، إلا أنها لا تزال تواجه بعض التحديات، وخاصة فيما يتعلق بالمتانة. ومن خلال دراسة الأدبيات، وجد أن متانة أجهزة التحليل الكهربائي AEM الحالية في غياب محفزات المعادن الثمينة تتركز بشكل أساسي بين 2000 ساعة و7000 ساعة. وهذا غير كافٍ نسبيًا مقارنة بعمر الخدمة الذي يتراوح بين 20,000 إلى 80,000 ساعة لجهاز التحليل الكهربائي PEM.
لا تزال تقنية التحليل الكهربائي AEM في المراحل الأولى من البحث والتطوير ولديها نقص في الأدبيات مقارنة بتقنية التحليل الكهربائي PEM التجارية.
بالإضافة إلى قضايا المتانة، فإن الاستقرار الكيميائي لـ AEM يشكل أيضًا مصدر قلق لأنه حساس للغاية للهجوم بواسطة أيونات الهيدروكسيد. لذلك، فإن الأبحاث المستقبلية تحتاج إلى تعزيز تحسين مواد الأغشية والسعي إلى تصميمات AQE التي تزيد من التوصيل ومقاومة درجات الحرارة العالية.
المبادئ العلمية
إن عملية التفاعل في التحليل الكهربائي لـ AEM معقدة بنفس القدر. يتطلب تفاعل تطور الأكسجين (OER) أربعة إلكترونات لتوليد جزيء واحد من الأكسجين. تؤدي العملية متعددة الخطوات لهذا التفاعل إلى حاجز طاقة عالي، مما يزيد بدوره من الجهد الزائد المطلوب للتفاعل. بالإضافة إلى ذلك، تكون حركية تفاعل تطور الهيدروجين (HER) أبطأ في المحاليل القلوية منها في المحاليل الحمضية بسبب تورط خطوة إضافية لتفكك البروتون في البيئات القلوية.
النظرة المستقبلية
إن التطبيق الناجح لتكنولوجيا التحليل الكهربائي AEM لا يتطلب فقط تحسين تطوير المواد، بل يتطلب أيضًا التعاون داخل الصناعة لحل التحديات الحالية. وفي هذه العملية، سيكون العثور على المحفزات المناسبة وتحسين متانة الغشاء واستقراره من العوامل الرئيسية.
وسيكون تعزيز تكنولوجيا إنتاج الهيدروجين منخفضة التكلفة وعالية الكفاءة في صميم التنمية المستقبلية للطاقة المستدامة.
مع الابتكار المستمر في تكنولوجيا إنتاج الهيدروجين، هل يمكننا الاعتماد على تكنولوجيا التحليل الكهربائي AEM لإعادة تشكيل المشهد العالمي للطاقة؟
