المحفزات الكهربائية هي مواد تسرع التفاعلات الكيميائية في الخلايا الكهروكيميائية. إنها مكونات أساسية في العديد من تقنيات تحويل الطاقة وتخزينها ، مثل خلايا الوقود والبطاريات والمحللات الكهربائية ، لأنها تعمل على تحسين كفاءة واستقرار هذه الأنظمة.
جعل التحليل الكهربائي منافسًا.
في مكافحة تغير المناخ ، يعد الحد من انبعاثات ثاني أكسيد الكربون أمرًا بالغ الأهمية. حاليًا ، يستخدم الهيدروجين الرمادي ، المنتج من النفط والغاز الطبيعي ، على نطاق واسع ، ولكن الجهود جارية لاستبداله بالهيدروجين الأخضر ، المتولد من مصادر متجددة. يتم إنتاج الهيدروجين الأخضر من خلال التحليل الكهربائي ، وهي عملية تقسم فيها الكهرباء الماء إلى هيدروجين وأكسجين. على الرغم من إمكاناته ، يجب التغلب على العديد من التحديات لجعل التحليل الكهربائي خيارًا قابلاً للتطبيق.
في الوقت الحالي ، تعتبر عملية تقسيم المياه فعالة إلى درجة محدودة فقط ، ولا توجد محفزات قوية ومتينة وفعالة من حيث التكلفة لها.
"حاليًا ، تعتمد أكثر المحفزات الكهربائية نشاطًا على المعادن الثمينة النادرة والمكلفة مثل الإيريديوم والروثينيوم والبلاتين ،" تسرد Kristina Tschulik. "بصفتنا باحثين ، تتمثل مهمتنا في تطوير محفزات كهربائية جديدة عالية الفعالية وخالية من المعادن الثمينة."
تدرس مجموعتها البحثية المحفزات على شكل جسيمات نانوية من أكسيد فلز قاعدي أصغر بمليون مرة من شعر الإنسان. يتم تصنيعها على نطاق صناعي ، وهي تختلف في الشكل والحجم والتركيب الكيميائي.
كريستينا تشوليك (يسار) وحاتم أمين يفحصان الجسيمات النانوية كمحفزات للهيدروجين الأخضر. الائتمان: © RUB ، Marquard
توضح Kristina Tschulik: "نستخدم القياسات لفحص ما يسمى بالأحبار المحفزة ، والتي يتم فيها خلط بلايين الجسيمات مع مواد رابطة ومواد مضافة". تسمح هذه الطريقة للباحثين فقط بقياس متوسط الأداء ، ولكن ليس نشاط الجسيمات الفردية - وهو ما يهم حقًا.
يقول الدكتور حاتم أمين ، باحث ما بعد الدكتوراه في الكيمياء التحليلية في جامعة الرور بوخوم.
الفائز في سباق الجسيمات النانوية
طورت مجموعة البحث طريقة لتحليل الجسيمات الفردية مباشرة في المحلول. يمكّنهم ذلك من مقارنة نشاط المواد النانوية المختلفة مع بعضها البعض من أجل فهم تأثير خصائص الجسيمات مثل شكلها وتكوينها على تقسيم الماء. "تشير نتائجنا إلى أن جزيئات أكسيد الكوبالت في شكل مكعبات فردية أكثر نشاطًا من الكرات ، لأن الأخيرة لها دائمًا العديد من الجوانب الأخرى الأقل نشاطًا."
النظرية تؤكد التجربة
تم تأكيد النتائج التجريبية لمجموعة بوخوم من قبل شركائها في التعاون برئاسة البروفيسور روسيتزا بينتشيفا من جامعة دويسبورغ إيسن كجزء من مركز البحوث التعاونية / ترانسريجيو 247. تشير التحليلات النظرية الأخيرة إلى حدوث تغيير في مناطق الحفاز النشطة ، أي من الكوبالت. الذرات التي تحيط بها ذرات الأكسجين تشكل ثماني الوجوه إلى ذرات الكوبالت التي يحيط بها رباعي الوجوه.
"تضع رؤيتنا حول العلاقة بين شكل الجسيمات والنشاط الأساس للتصميم القائم على المعرفة للمواد الحفازة القابلة للتطبيق ، وبالتالي ، لتحويل الطاقة الأحفورية والصناعات الكيماوية لدينا نحو شكل دائري اقتصاد استنادًا إلى مصادر الطاقة المتجددة والعوامل الحفازة عالية النشاط وطويلة الأمد ، "تختتم كريستينا تشوليك.
المرجع: "النشاط الجوهري المعتمد على الوجه للجسيمات النانوية المفردة من Co3O4 لتفاعل تطور الأكسجين (Adv. Funct. Mater. 1/2023)" بقلم Zhibin Liu و Hatem MA Amin و Yuman Peng و Manuel Corva و Rossitza Pentcheva و Kristina Tschulik ، 3 يناير 2023 ، المواد الوظيفية المتقدمة.
DOI: 10.1002 / adfm.202370006
