طور علماء جامعة سيتي في هونغ كونغ مؤخرًا استراتيجية جديدة لتصميم محفزات صفائح نانوية مستقرة وفعالة من خلال تشكيل هياكل تورينغ مع بلورات نانوية متعددة. يمهد هذا الاكتشاف المبتكر الطريق لتحسين أداء المحفز لإنتاج الهيدروجين الأخضر. وقد تم نشر التقرير الخاص بالبحث في مجلة نيتشر كوميونيكيشنز (Nature Communications).

برزت الطاقة الهيدروجينية كبديل واعد للوقود الأحفوري، حيث توفر مصدرًا نظيفًا ومستدامًا للطاقة. ومع ذلك، فإن تطوير محفزات منخفضة التكلفة وفعالة لتفاعل تطور الهيدروجين يظل تحديًا كبيرًا.

يعد إنتاج الهيدروجين من خلال عملية التحليل الكهربائي للمياه مع انبعاثات كربونية صافية صفر إحدى عمليات إنتاج الهيدروجين النظيف.

في حين أن المواد النانوية منخفضة الأبعاد ذات العيوب التي يمكن التحكم فيها أو تعديلات السلالة قد ظهرت كمحفزات كهربائية نشطة لتحويل طاقة الهيدروجين واستخدامها، فإن عدم الاستقرار الكافي في هذه المواد بسبب التدهور الهيكلي التلقائي واسترخاء الإجهاد يؤدي إلى تدهور أدائها التحفيزي.

لمعالجة هذه المشكلة، قام فريق بحث بقيادة البروفيسور لو جيان عميد كلية الهندسة في جامعة سيتي ومدير فرع هونغ كونغ للمركز الوطني لأبحاث هندسة المواد المعدنية الثمينة، مؤخرًا بتطوير استراتيجية هيكلة تورينغ (Turing) رائدة والتي لا تنشط فحسب، بل تعمل أيضًا على تثبيت المحفزات من خلال إدخال بلورات ثنائية النانو عالية الكثافة.

يعمل هذا النهج على حل مشكلة عدم الاستقرار المرتبطة بالمواد منخفضة الأبعاد في الأنظمة الحفزية بشكل فعال، مما يتيح إنتاج هيدروجين فعال وطويل الأمد.

تُلاحظ أنماط تورينغ – المعروفة بالأنماط الثابتة الزمانية المكانية – على نطاق واسع في الأنظمة البيولوجية والكيميائية، مثل التلوين السطحي المنتظم على الأصداف البحرية.

ترتبط آلية تشكيل الأنماط هذه بنظرية رد الفعل والانتشار التي اقترحها آلان تورينغ، عالم الرياضيات الإنجليزي الشهير الذي يعتبر أحد آباء الحوسبة الحديثة، حيث يقوم المنشط ذو معامل الانتشار الأصغر بتحفيز النمو التفضيلي المحلي.

وأوضح البروفيسور لو فكرة هذا البحث قائلًا: “في الأبحاث السابقة، ركز تصنيع المواد منخفضة الأبعاد بشكل أساسي على الضوابط الهيكلية للأغراض الوظيفية، مع القليل من الاعتبارات المتعلقة بالضوابط الزمانية المكانية. ومع ذلك، يمكن تحقيق أنماط تورينغ في المواد النانوية من خلال النمو متباين الخواص للحبيبات النانوية للمواد. مثل هذا التماثل الشبكي المكسور له آثار بلورية حاسمة على نمو تكوينات محددة، مثل المواد ثنائية الأبعاد (2D) ذات التماثل المزدوج والمكسور الجوهري. لذلك أردنا استكشاف تطبيق نظرية تورينغ على نمو المحفز النانوي وعلاقاتها بالعيوب البلورية”.

في هذا البحث، استخدم الفريق نهجًا مكونًا من خطوتين لإنشاء صفائح نانوية فائقة الرقة من البلاتين والنيكل والنيوبيوم (PtNiNb) مع شرائح تشبه أنماط تورينغ طوبولوجيًا.

تم تشكيل هياكل تورينغ هذه على أوراق النانو من خلال الارتباط المقيد للحبيبات النانوية، مما أدى إلى وجود شبكة نانوية مزدوجة مستقرة جوهريًا وعالية الكثافة والتي كانت بمثابة مثبتات هيكلية تمنع التدهور الهيكلي التلقائي واسترخاء الإجهاد.

علاوة على ذلك، ولدت أنماط تورينغ تأثيرات إجهاد شبكية تقلل حاجز الطاقة لتفكك الماء وتحسن الطاقة الخالية من امتصاص الهيدروجين لتفاعل تطور الهيدروجين، مما يعزز نشاط المحفزات ويوفر استقرارًا استثنائيًا.

يُظهر سطح بنية تورينغ ذات المقياس النانوي عددًا كبيرًا من الواجهات الثنائية، مما يجعلها أيضًا مادة مناسبة بشكل استثنائي للتطبيقات التي تهيمن عليها الواجهات، وخاصة الحفز الكهروكيميائي.

في التجارب، أظهر الباحثون إمكانات المحفز النانوي (Turing PtNiNb) الذي تم اختراعه حديثًا باعتباره محفزًا مستقرًا لتطور الهيدروجين بكفاءة رائعة.

لقد حققت زيادة قدرها 23.5 و3.1 مرة في النشاط الشامل ومؤشر الاستقرار، على التوالي، مقارنة بـ 20% بلاتين على الكربون للتجاري. كان المُحلل الكهربائي المائي بغشاء تبادل الأنيون القائم على (Turing PtNiNb) مع تحميل كتلة منخفضة من البلاتين (Pt) يبلغ 0.05 مجم سم−2 موثوقًا للغاية أيضًا، حيث يمكنه تحقيق 500 ساعة من الثبات عند 1000 مللي أمبير سم−2.

قال البروفيسور لو: “توفر النتائج الرئيسية التي توصلنا إليها رؤى قيمة حول تنشيط وتثبيت المواد الحفازة ذات الأبعاد المنخفضة. إنها تقدم نموذجًا جديدًا لتعزيز أداء المحفز. إن استراتيجية تحسين هيكل تورينغ لا تعالج فقط مسألة تدهور الاستقرار في المواد منخفضة الأبعاد ولكنها تعمل أيضًا كنهج لتحسين المواد متعدد الاستخدامات ينطبق على أنظمة صناعة السبائك والأنظمة الحفزية الأخرى، مما يؤدي في النهاية إلى تعزيز الأداء التحفيزي”.

اقرأ أيضًا ما الذي تسبب في تراجع سهم نفيديا؟

المصدر: أويل برايس