العلماء يكشفون عن اختراق في خلية الوقود ذات درجات الحرارة المنخفضة التي يمكن أن تحدث ثورة في الطاقة الهيدروجينية

ابتكر الباحثون في جامعة كيوشو خلية وقود أكسيد صلبة (SOFC) تظهر موصلية بروتونية عالية بشكل استثنائي عند 300 درجة مئوية.

مع استمرار ارتفاع احتياجات الطاقة في جميع أنحاء العالم، يتعاون العلماء وقادة الصناعة وصناع السياسات لإيجاد طرق موثوقة لتلبية الطلب المتزايد. لقد أصبح هذا الجهد أكثر إلحاحًا في الوقت الذي تعمل فيه الدول على مواجهة تغير المناخ وتقليل الاعتماد على الوقود الأحفوري.

ومن بين أكثر التقنيات الواعدة التي يتم استكشافها هي خلايا وقود الأكسيد الصلب، أو SOFCs. على عكس البطاريات، التي تخزن الطاقة ثم تطلقها، تولد خلايا الوقود الكهرباء عن طريق تحويل الوقود الكيميائي بشكل مستمر إلى طاقة طالما توفرت إمدادات الوقود. كثير من الناس على دراية بخلايا وقود الهيدروجين، التي تنتج الكهرباء والماء من غاز الهيدروجين.

تتميز مركبات SOFC بكفاءتها العالية وعمرها التشغيلي الطويل. ومع ذلك، فهي تتطلب تقليديًا درجات حرارة تشغيل عالية للغاية تبلغ حوالي 700-800 درجة مئوية. ويجب أن تعتمد الأنظمة المصممة لتحمل هذه الحرارة على مواد متخصصة وباهظة الثمن، مما يحد من مدى استخدام هذه التكنولوجيا على نطاق واسع.

وفي دراسة جديدة نشرت في مواد الطبيعةأعلن الباحثون في جامعة كيوشو أنهم قاموا بإنشاء SOFC قادر على التشغيل بكفاءة عند درجة حرارة 300 درجة مئوية فقط. وفقًا للفريق، يمكن لهذا الإنجاز أن يتيح تصميمات SOFC ميسورة التكلفة ومنخفضة الحرارة ويسرع بشكل كبير انتقال هذه التكنولوجيا من التطبيقات المختبرية إلى تطبيقات العالم الحقيقي.

فهم دور المنحل بالكهرباء

قلب SOFC هو المنحل بالكهرباء، وهي طبقة سيراميك تحمل جزيئات مشحونة بين قطبين كهربائيين. في خلايا وقود الهيدروجين، ينقل الإلكتروليت أيونات الهيدروجين (المعروفة أيضًا باسم البروتونات) لتوليد الطاقة. ومع ذلك، تحتاج خلية الوقود إلى العمل في درجات حرارة عالية للغاية حتى تعمل بكفاءة.

يوضح البروفيسور يوشيهيرو يامازاكي من منصة أبحاث الطاقة متعددة التخصصات بجامعة كيوشو، الذي قاد الدراسة: “إن خفض درجة حرارة العمل إلى 300 درجة مئوية سيؤدي إلى خفض تكاليف المواد وفتح الباب أمام الأنظمة على مستوى المستهلك”. “ومع ذلك، لا يوجد سيراميك معروف يمكنه حمل ما يكفي من البروتونات التي تتسارع في مثل هذه الظروف “الدافئة”. لذلك، شرعنا في كسر عنق الزجاجة هذا.”

تتكون الإلكتروليتات من مجموعات مختلفة من الذرات مرتبة في بنية شبكية بلورية. ومن بين هذه الذرات يسافر البروتون. اكتشف الباحثون مجموعات مختلفة من المواد والمنشطات الكيميائية – وهي مواد يمكن أن تغير الخواص الفيزيائية للمادة – لتحسين سرعة انتقال البروتونات عبر الإلكتروليتات.

يتابع يامازاكي قائلاً: “لكن هذا يأتي أيضًا مصحوبًا بالتحدي”. “إن إضافة المنشطات الكيميائية يمكن أن يزيد من عدد البروتونات المتنقلة التي تمر عبر المنحل بالكهرباء، ولكنه عادةً ما يسد الشبكة البلورية، مما يؤدي إلى إبطاء البروتونات. لقد بحثنا عن بلورات الأكسيد التي يمكن أن تستضيف العديد من البروتونات وتسمح لها بالتحرك بحرية، وهو التوازن الذي حققته دراستنا الجديدة أخيرًا.”

الاختراق: أكاسيد مخدرة بالسكانديوم

وجد الفريق أن مركبين، ستانات الباريوم (BaSnO3) وتيتانات الباريوم (BaTiO3)، عند تطعيمهما بتركيزات عالية من السكانديوم (Sc)، كانا قادرين على تحقيق موصلية البروتون المعيارية لـ SOFC بأكثر من 0.01 ثانية / سم عند 300 درجة مئوية، وهو مستوى موصلية مشابه لشوارد SOFC الشائعة اليوم عند 600-700 درجة مئوية.

يشرح يامازاكي: “كشف التحليل الهيكلي ومحاكاة الديناميكيات الجزيئية أن ذرات Sc تربط الأكسجين المحيط بها لتشكل طريقًا سريعًا (ScO₆)، تنتقل عبره البروتونات بحاجز هجرة منخفض بشكل غير عادي. هذا المسار واسع ويهتز بهدوء، مما يمنع احتجاز البروتونات الذي عادة ما يصيب الأكاسيد المخدرة بشدة”. “كشفت بيانات ديناميكيات الشبكة أيضًا أن BaSnO₃ وBaTiO₃ “أكثر ليونة” في جوهرها من مواد SOFC التقليدية، مما يسمح لها بامتصاص كمية أكبر بكثير من Sc مما كان يُفترض سابقًا.”

تقلب النتائج المفاضلة بين مستوى المنشطات والنقل الأيوني، مما يوفر مسارًا واضحًا لمركبات الكربون الكلورية فلورية منخفضة التكلفة ومتوسطة الحرارة.

ويختتم يامازاكي قائلاً: “إلى جانب خلايا الوقود، يمكن تطبيق نفس المبدأ على تقنيات أخرى، مثل التحليل الكهربي ذي درجات الحرارة المنخفضة، ومضخات الهيدروجين، والمفاعلات التي تحول ثاني أكسيد الكربون إلى مواد كيميائية قيمة، وبالتالي مضاعفة تأثير إزالة الكربون. ويحول عملنا مفارقة علمية طويلة الأمد إلى حل عملي، مما يجعل الطاقة الهيدروجينية بأسعار معقولة أقرب إلى الحياة اليومية”.

المرجع: “تخفيف احتجاز البروتون في أكاسيد البيروفسكايت المكعبة عبر شبكات ScO6 ثماني السطوح” بقلم كوتا تسجيكاوا، جونجي هيودو، سوسومو فوجي، كازوكي تاكاهاشي، يوتو توميتا، ناي شي، ياسوكازو موراكامي، شوسوكي كاساماتسو ويوشيهيرو يامازاكي، 8 أغسطس 2025، مواد الطبيعة.
دوى: 10.1038/s41563-025-02311-ث

التمويل: الوكالة اليابانية للعلوم والتكنولوجيا، الجمعية اليابانية لتعزيز العلوم، جامعة كيوشو

لا تفوت أي اختراق: انضم إلى النشرة الإخبارية SciTechDaily.
تابعونا على جوجل و أخبار جوجل.