ابتكار محفّز نانوي منخفض التكلفة لإزالة الأمونيا وإنتاج الهيدروجين

أفادت وکالة آنا الإخباریة، في إطار تعاون علمي دولي، نجحت مرضية جدا، الباحثة في جامعة أمير كبير الصناعية، من خلال تصنيع وتطوير أقطاب كهربائية نانوية البنية من أكسيد المنغنيز محمّلة على ركيزة من الغرافيت (MnOx/Graphite)، في تطوير منظومة كهروكيميائية تتيح الأكسدة المباشرة للمحاليل المخففة المحتوية على الأمونيا، مع إنتاج غازي النيتروجين والهيدروجين في آنٍ واحد.

وتتميّز هذه الأقطاب ببنيتها الملائمة ومساحتها السطحية النشطة الكبيرة وأدائها الكهروكيميائي المتميز، الأمر الذي يجعلها مرشحة للاستخدام، إلى جانب تطبيقاتها المحتملة في تقنيات تخزين الطاقة، ولا سيما المكثفات الفائقة والبطاريات، في معالجة مياه الصرف المحتوية على الأمونيا وإزالة هذا الملوّث بالتزامن مع إنتاج الهيدروجين.

وأُنجز هذا البحث بإشراف نرجس فلاح، عضو الهيئة الأكاديمية في جامعة أمير كبير الصناعية، وباستشارة تشين-باو هوانغ من جامعة ديلاوير الأمريكية.

ومن أبرز النتائج التي توصلت إليها الدراسة تحقيق أداء كهروكيميائي عند جهد تشغيلي يبلغ نحو 0.6 فولت، مع خفض ملحوظ في الطاقة اللازمة لأكسدة الأمونيا. كما أظهرت التجارب، في ظل الظروف المخبرية المثلى، إمكانية خفض تركيز الأمونيا إلى أقل من جزء واحد في المليون (ppm)، فضلاً عن دراسة إمكانية تحويلها إلى غاز النيتروجين بالتزامن مع إنتاج الهيدروجين والتحقق من جدوى هذه العملية.

وفي هذه الدراسة، صُنّعت الأقطاب باستخدام تقنية الترسيب الكهربائي (Electrodeposition)، حيث جرى تحضير أكثر من 300 عينة بتركيبات وظروف تصنيع ومعالجات حرارية مختلفة. ولتحليل البنية والخصائص السطحية للأقطاب، استُخدمت تقنيات متعددة، من بينها المجهر الإلكتروني الماسح بالانبعاث الميداني (FE-SEM)، والتحليل الطيفي لتشتت الأشعة السينية (EDS)، ومجهر القوة الذرية (AFM)، والتحليل الطيفي للإلكترونات المنبعثة بالأشعة السينية (XPS).

كما جرى تقييم الأداء الكهروكيميائي لهذه الأقطاب من خلال اختبارات شملت استقطاب تافل (Tafel Polarization)، والتحليل الطيفي للممانعة الكهروكيميائية (EIS)، فضلاً عن اختبارات المتانة والاستقرار. وأسهمت هذه التحليلات في تحديد الأقطاب الأكثر كفاءة واختيار الظروف المثلى لتعزيز نشاطها وإطالة عمرها التشغيلي.

ومن أبرز الابتكارات التي تضمنها البحث تصنيع محفّز كهربائي متكامل ومنخفض التكلفة وعالي المتانة، دون الحاجة إلى استخدام مواد رابطة، إلى جانب ضبط وهندسة الأطوار المختلفة لأكسيد المنغنيز بهدف تحسين الأداء والاستقرار، وزيادة السعة الكهروكيميائية للركيزة الغرافيتية بمقدار يصل إلى 15 ضعفاً، فضلاً عن توظيف النماذج الذكية للتنبؤ بأداء الأقطاب وتحسينه.

وشملت الجوانب الأخرى للدراسة تصميم أقطاب متطورة لتخزين الطاقة، وتحليل آلية تفاعل الأكسدة الانتقائية للأمونيا بالاستعانة بمحاكاة الديناميكيات الجزيئية، وحسابات نظرية الكثافة الوظيفية (DFT)، وتقنيات التعلم الآلي.

ومن المتوقع أن تسهم هذه التقنية في تطوير أساليب منخفضة الاستهلاك للطاقة لإزالة الأمونيا وإنتاج الهيدروجين، فضلاً عن تعزيز الاستفادة من المحاليل المحتوية على الأمونيا في منظومات الطاقة النظيفة. كما يمكن توظيفها للحد من التلوث الناجم عن الأمونيا في مياه الصرف الصناعي، ولا سيما في صناعات البتروكيماويات والتكرير وإنتاج الأسمدة الكيميائية.

وقد جرى إعداد نتائج هذا البحث في أربعة مقالات علمية متخصصة في مجالات الكيمياء الكهربائية وتخزين الطاقة والبيئة. ونُشر أحد هذه المقالات في مجلة Journal of Power Sources، فيما تخضع مقالة ثانية حالياً لعملية التحكيم في مجلة Advanced Energy Materials، بعد إرسال مقالة ثالثة إلى مجلة Renewable and Sustainable Energy Reviews، بينما وصلت المقالة الرابعة إلى مرحلة الإعداد النهائي للتقديم إلى المجلة المرموقة Energy & Environmental Science.

وتعكس هذه المجموعة من الأبحاث الأبعاد العلمية والمتداخلة التخصصات لهذا الإنجاز، فضلاً عن إمكاناته للنشر في دوريات علمية دولية مرموقة.

ووفقاً لما أعلنته جامعة أمير كبير الصناعية، تتمثل المرحلة المقبلة من البحث في نقل التقنية إلى نطاق شبه صناعي، واختبارها باستخدام محاليل ومياه صرف صناعي حقيقية، والعمل على إطالة العمر التشغيلي للأقطاب الكهربائية، فضلاً عن تصميم مفاعلات ذات سعات أكبر.