يمكن أن تكون نفايات مصانع الورق سر الطاقة النظيفة الرخيصة

تعرض دراسة جديدة محفزًا مصنوعًا من اللجنين، وهي مادة نفايات نباتية، تعمل على تحسين خطوة رئيسية في التحليل الكهربائي للماء بشكل كبير.

قدم الباحثون نوعًا جديدًا من المحفزات المصنوعة من مخلفات النباتات المتجددة والتي يمكن أن تسرع بشكل كبير إنتاج الهيدروجين النظيف. يتم إنتاج المادة عن طريق دمج جزيئات أكسيد النيكل وأكسيد الحديد النانوية داخل ألياف الكربون المشتقة من اللجنين. يعمل هذا التصميم على تحسين كفاءة واستقرار تفاعل تطور الأكسجين، وهو خطوة أساسية في التحليل الكهربائي للماء.

وبحسب الدراسة المنشورة في الفحم الحيوي X، يعمل المحفز بقدرة زائدة منخفضة تبلغ 250 مللي فولت عند 10 مللي أمبير سم² ويستمر في الأداء بشكل موثوق لأكثر من 50 ساعة بكثافة تيار عالية. تشير هذه النتائج إلى خيار عملي وبأسعار معقولة يمكن أن يحل محل المحفزات المعدنية الثمينة المستخدمة عادة في تقسيم المياه الصناعية.

وقال المؤلف المقابل يانلين تشين من جامعة قوانغدونغ للتكنولوجيا: “يعد تطور الأكسجين أحد أكبر العوائق التي تحول دون إنتاج الهيدروجين بكفاءة”. “يظهر عملنا أن المحفز المصنوع من اللجنين، وهو منتج ثانوي منخفض القيمة لصناعات الورق والمصافي الحيوية، يمكن أن يوفر نشاطًا عاليًا ومتانة استثنائية. وهذا يوفر طريقًا أكثر خضرة واقتصادية لتوليد الهيدروجين على نطاق واسع.”

المزايا الهيكلية للمحفز NiO/Fe3O4@LCFs

يعد اللجنين واحدًا من البوليمرات الحيوية الأكثر وفرة على كوكب الأرض، ومع ذلك يتم حرقه غالبًا للحصول على حرارة منخفضة الدرجة بدلاً من استخدامه في التطبيقات ذات القيمة الأعلى. في هذه الدراسة، قام الباحثون بتحويل النفايات المعتمدة على اللجنين إلى ألياف كربون من خلال الغزل الكهربائي والمعالجة الحرارية.

يساعد الإطار الموصل الناتج على الاحتفاظ بجزيئات أكسيد المعدن النشط وحمايتها. تحتوي المادة النهائية، المعروفة باسم NiO/Fe3O4@LCFs، على شبكة من ألياف الكربون المشبعة بالنيتروجين والتي تعمل على تحسين نقل الشحنة، وزيادة مساحة السطح، وتوفير استقرار ميكانيكي قوي.

كشف الفحص المجهري عالي الدقة أن أكاسيد النيكل والحديد تشكل أ مقياس النانو ترابط متغاير داخل شبكة ألياف الكربون. تلعب هذه الواجهة دورًا حاسمًا في تسريع تطور الأكسجين من خلال تعزيز الامتزاز المتوازن وإطلاق وسيطات التفاعل. إن الجمع بين أكاسيد المعادن مع دعم الكربون الموصل يعزز نقل الإلكترون ويمنع تكتل الجسيمات، وهما من القيود الشائعة للمحفزات المعدنية الأساسية التقليدية.

الأداء الكهروكيميائي والرؤى الميكانيكية

أكدت الاختبارات الكهروكيميائية أن المحفز يتفوق على الإصدارات أحادية المعدن، خاصة عند كثافات التيار العالية اللازمة للتحليل الكهربائي العملي للمياه. وتُظهر المادة أيضًا منحدر تافيل الذي يبلغ 138 مللي فولت فقط لكل عقد، مما يشير إلى حركية أسرع. تدعم قياسات رامان في الموقع وحسابات نظرية الكثافة الوظيفية الآلية المقترحة، مما يكشف أن الواجهة الهندسية تسهل الخطوات الرئيسية في مسار تطور الأكسجين.

قال المؤلف المشارك شيويكينج تشيو: “كان هدفنا هو تطوير محفز لا يؤدي الأداء الجيد فحسب، بل يكون قابلاً للتطوير ومتجذرًا في مواد مستدامة”. “ولأن اللجنين يتم إنتاجه بكميات ضخمة في جميع أنحاء العالم، فإن هذا النهج يوفر طريقًا واقعيًا نحو تقنيات إنتاج الهيدروجين الصناعي الأكثر مراعاة للبيئة.”

تسلط الدراسة الضوء على الإمكانات المتزايدة للمواد المشتقة من الكتلة الحيوية في أنظمة تحويل الطاقة. ومن خلال الجمع بين دعم الكربون المتجدد والهندسة الرشيدة لواجهات أكسيد المعادن، يتوافق هذا النهج مع الجهود العالمية لتطوير حلول منخفضة التكلفة وصديقة للبيئة للطاقة النظيفة.

ويعتقد الباحثون أن الاستراتيجية يمكن توسيعها لتشمل تركيبات معدنية أخرى وعمليات تحفيزية، مما يفتح إمكانيات جديدة لتصميم الجيل التالي من المحفزات الكهربائية من الموارد الطبيعية الوفيرة.

المرجع: ألياف الكربون المشتقة من اللجنين المحملة بـ NiO/Fe3O4 لتعزيز تفاعل تطور الأكسجين” بقلم Xuezhi Zeng1 Yutao Pan وYi Qi وYanlin Qin وXueqing Qiu، 27 نوفمبر 2025، الفحم الحيوي X.
DOI: 10.48130/bchax-0025-0011

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