خفض تكلفة خلايا الوقود

قام المهندسون في جامعة ويسكونسن ميلووكي University of Wisconsin-Milwaukee, UWM باكتشاف الحافز الذي يقدم نفس المستوى من الكفاءة في خلايا الوقود الميكروبية (MFCs) حيث يُستخدم حالياً حافز البلاتين، ولكن ب5% من التكلفة.
إن أكثر من 60% من استثمارات تصنيع خلايا الوقود الميكروبية تُصرف على البلاتين، وهذا الاكتشاف قد يؤدي للوصول إلى أسعار معقولة أكثر لتحويل الطاقة وأجهزة التخزين.
تتكون المادة من [نتروجين – حديد مخصب – كربون نانورد (النانورد هو قضيب نانوي)] ويمكن أيضاً استبدالها بحافز البلاتين المنتج للهيدروجين- وذلك في خلايا التحليل الكهربائي الميكروبية Microbial Electrolysis Cells, MECs، والذي يستخدم المواد العضوية لتوليد بديل ممكن للوقود الأحفوري.
“خلايا الوقود قادرة على تحويل الوقود إلى كهرباء مباشرة” كما يقول البرفسور جونج تشين Junhong Chen الذي اخترع النانوردات وجربها مع الأستاذ المساعد تشن (جاسون)هي Zhen (Jason) He. “مع خلايا الوقود يمكن توصيل الطاقة الكهربائية من مصادر الطاقة المتجددة في المكان والزمان اللازم بكفاءة وبشكل نظيف ومستدام”.
وجد العلماء أيضاً أن حافز النانورد تفوق على الغرافين الذي يتم تطويره في أماكن أخرى حيث تم تجريب كل منهما ضد منافسين أخرين لاستبدال البلاتين ووُجد أن أداء النانوردات متفوق باستمرار على مدى ستة شهور.
وقد أُثبت أن النانوردات ثابتة وقابلة للتحجيم، يقول تشن: ولكن هناك حاجة لمزيد من التحقق لتحديد مدى سهولة إنتاجها بكميات ضخمة. ومطلوب المزيد من الدراسات لتحديد التفاعل المسؤول عن أداء النانوردات بدقة. وقد تم نشر هذا العمل في شهر آذار في مجلة المواد المتقدمة the journal Advanced Materials.
الوصفة الحقيقة:
خلايا الوقود الميكروبية Microbial Fuel Cells, MFCs تولد الكهرباء أثناء إزالة الملوثات العضوية من مياه الصرف الصحي. فعلى القطب الموجب من خلية الوقود الميكروبية تتغذى المستعمرات البكتيرية على المواد العضوية محررةً الإلكترونات التي تشكل التيار أثناء تحطيم النفايات، وعلى القطب السالب يحصل التفاعل الأكثر أهمية في خلايا الوقود الميكروبية وهو تفاعل إرجاع الأكسجين Oxygen Reduction Reaction, ORR، والبلاتين يسرع هذا التفاعل البطيء ويزيد كفاءته إلا أنه مكلف.
خلايا التحليل الكهربائي الميكروبية (MECs) ترتبط بخلايا الوقود الميكروبية. ومع ذلك فإن (MECs) تنتج الهيدروجين بدلاً من الكهرباء.
وبالإضافة إلى عمل الكائنات الحية الدقيقة في القطب الموجب (الأنود)، فإن MECs تستخدم أيضاً في تحليل المواد العضوية، والبلاتين يقوم بتحفيز الإجراءات على الأقطاب السالبة (الكاثود).
النانوردات التي قام كل من شين وهي Chen and He بتصنيعها دمجت أفضل خصائص المواد المتفاعلة الأخرى، مع النتروجين المرتبط بسطح قضيب الكربون و نواة من كربيد الحديد. حيث أن فعالية النتروجين في تحسين أداء حافز الكربون معروفة مسبقاً، وكربيد الحديد، المعروف أيضاً بقدرته التحفيزية، يتفاعل مع الكربون على سطح القضيب موفراً اتصالاً مع النواة. وهذه البنية الفريدة هي الأمثل لنقل الإلكترونات وهو الأمر الضروري لإرجاع الأكسجين.
وعندما تم اختبار قدرة النانوردات في خلايا التحليل الكهربائي الميكروبية MECs، قامت المواد بعمل جيد بالمقارنة مع الغرافين المعتمد على المواد الحافزة، ولكنها لا زالت غير فعالة بالمقارنة مع البلاتين.
وأضاف هي “هذا يظهر أنه قد يكون هناك تطبيقات أكثر تنوعاً لهذه المادة مقارنةً بالغرافين” كما يقول ” وهي تعطينا دليلاً على عن سبب اختلاف أداء النانوردات في MECs”
وقد نشرت هذه البحوث في حزيران في مجلة طاقة النانوthe journal Nano Energy.