حفاز معدل يحسن جودة الحفازات الالكترونية لخلايا الوقود

يعتبر تصميم وصناعة الحفازات الالكترونية القائمة على تفاعل إرجاع الأوكسجين (ORR) بما يتناسب مع الأداء العالي والكلفة المنخفضة تحدياً كبيراً وعاملاً حاسماً ومهماً لتسويق خلايا الوقود بالنسبة للخبراء في هذا المجال. ويعد معدن البلاتين هو الحفاز الأكثر انتشاراً وكفاءة لهذا النوع من التفاعلات على الرغم من مساوءه التي يمكن أن نذكر منها: مصادر هذا المعدن المحدودة، تكلفة إنتاجه المرتفعة وعدم مقاومته النسبية للتآكل. وهذه المساوء تعني تحدياً اضافياً في تكنولوجيا إنتاج هذا النوع من خلايا الوقود.

يمتلك منشط الغرافين المتجانس (Heteroatom-doped graphenes) (HDGs) خصائص واعدة في مجال الحفازات الالكترونية وذلك نظراً لتكلفة تصنيعه المنخفضة وقدرته على التفاعل مع الوقود المستخدم بالإضافة إلى مقاومته النسبية للتآكل. ولكن لسوء الحظ بقي هذا النوع من الحفازات قليل الاستخدام مقارنة بحفاز البلاتين (Pt) وذلك لأن تصنيع هذا الحفاز يتم بطريقتين:

الأولى: تحتاج إلى حرارة مرتفعة عند التحضير ومن ثم يتم المعالجة الحرارية المائية لأكسيد الغرافين المشوب بالعديد من المركبات العطرية المتجانسة مع هذا الأكسيد. ومن مساوئ هذه الطريقة التكلفة المرتفعة والسمية العالية.

الثانية: تحتاج إلى استخدام أكاسيد خطرة واجراءات طويلة ومكلفة لاتمام تصنيع هذا النوع من الحفازات.

عملت جونيان زانغ (Junyan Zhang) وزملاؤها من معهد لانزو للفيزياء الكيميائية في الصين على تطوير طريقة بسيطة واقتصادية لإنتاج صفائح نانوية من محفز الغرافين الثنائي (الكبريت والآزوت) (NS-G) وذلك عن طريق التحلل الحراري للسيستين (Cysteine) بوجود NaCl.

يمكن إنتاج السيستين صناعياً عن طريق هدرجة ريش أو شعر الدواجن (المنخفض التكلفة). وبهذه الطريقة يمكن استخدام السيستين كمصدر جيد للنايتروجين (N) والكبريت (S) بالاضافة للكربون (C). حيث تغطى سطح جزيئات السيستين بجسيمات الـ (NaCl) والتي تلعب بدورها كقالب يتم من خلاله تموضع جسيمات الغرافين بطريقة منتظمة وبسيطة. يتبعها إزالة قالب (NaCl) ومن ثم معالجتها حرارياً. ناتج هذه العملية يكون عبارة عن صفائح ذات سطح واسع (435.13 m²/g) من الحفاز (NS-G) له بنية مسامية دقيقة (2 – 50) نانومتر وذو ناقلية كهربائية جيدة.

يظهر الغرافين المعالج فعالية ممتازة تجاه تفاعلات إرجاع الاوكسجين بالإضافة طبعاً لسهولة تحضيره، تكاليف إنتاجه المنخفضة نسبياً، والأداء العالي عند مقارنته بحفاز البلاتين التجاري. ومن هنا يمكن القول أن مستقبل هذه المادة سيكون واعداً جداً لصناعة خلايا وقود يكون فيها الكاتود قائماً على تفاعلات إرجاع الاوكسجين.