باحثون يكشفون جيلاً واعداً من النانومواد لتعزيز كفاءة البطاريات ومعالجة التلوث

أفادت وکالة آنا الإخباریة، أجرى فريق بحثي من جامعة مراغة، بمشاركة باحثين من جامعات ماليزيا والإمارات ولشبونة وونتشو، مراجعة موسّعة حول أحدث التقدّمات والآفاق المستقبلية لـ النانومركّبات الهجينة MOF/LDH وهياكل LDH المشتقة من قوالب MOF؛ وهي مواد يُتوقَّع أن تلعب دوراً محورياً قريباً في أمن الطاقة وتنقية البيئة.

تبرز أهمية هذا المجال مع تفاقم أزمتي الطاقة والتلوث، حيث لم تعد الأنظمة التقليدية للتخزين والمعالجة قادرة على تلبية المتطلبات الحالية. فالبطاريات المتطورة، المكثفات الفائقة، الأنظمة الكهروكيميائية منخفضة الاستهلاك، ومواد الامتزاز لمعالجة الملوثات—جميعها تحتاج إلى مواد فعّالة تجمع بين الاستقرار، المساحة السطحية العالية، وإمكانية التعديل البنيوي، وهي الخصائص التي تتميز بها MOFs وLDHs.

يشير الباحثون في البداية إلى السمات الفريدة لإطارات الفلزات العضوية (MOFs)، التي تتمتع بمساحة سطحية هائلة، ومسامات قابلة للضبط، وشبكات منتظمة يمكن استخدامها كقوالب لتشكيل الهيدروكسيدات ثنائية الطبقة (LDHs). هذا التحويل البنيوي ينتج مواداً ذات موصلية واستقرار أفضل مقارنة بـ LDH التقليدية.

كما يوضّح التقرير أن الدمج المباشر بين MOF وLDH لإنتاج هياكل هجينة MOF/LDH يتيح كشف عدد أكبر من المواقع النشطة، ما يعزز بقوة أداءها في التفاعلات الكهروكيميائية وعمليات امتزاز الملوثات. وتبيّن الدراسات أن هذه المواد تُظهر نشاطاً كهربائياً أعلى وقدرة تخزين محسّنة في أنظمة الطاقة.

وفي الجانب المتعلق بآليات العمل، تسلّط المراجعة الضوء على العلاقة بين البنية والأداء، موضحةً أن تشكّل LDH من قالب MOF أو دمج المادتين يسرّع نقل الإلكترونات، يعزز الاستقرار الحراري، ويؤدي إلى توزيع متجانس للمراكز النشطة. كما تناولت الدراسة بالتفصيل طرق التخليق المختلفة، مثل التحويل القالبي والنمو المتزامن والتجميع متعدد المراحل.

ووفقاً للباحثين، تشمل التطبيقات الرئيسية لهذه المواد:

تخزين الطاقة في بطاريات الليثيوم-أيون والصوديوم-أيون والزنك

المكثفات الفائقة لرفع السعة وتحسين الثبات الدوري

تطوير محفزات كهروكيميائية لتفاعلات HER وOER وORR لإنتاج الطاقة النظيفة

امتزاز المعادن الثقيلة، إزالة الملوثات العضوية، وتحليل المركبات السامة

وتُظهر النتائج أن مواد MOF/LDH والـ LDH المشتقة من MOF تتفوق على نظيراتها التقليدية بأضعاف في الأداء الامتزازي والكهروكيميائي، نتيجة زيادة المواقع النشطة، توسّع المساحة السطحية الفعّالة، وتحسّن الموصلية.

ورغم المزايا البارزة—كالتركيب القابل للضبط، القابلية للتعديل الكيميائي متعدد المراحل، الموصلية الملائمة، والاستقرار التشغيلي—لا تزال هناك تحديات مثل التحكم الدقيق في مورفولوجيا LDH المشتقة من MOF، ارتفاع تكلفة بعض طرق التخليق، والحاجة إلى تقييمات طويلة المدى تحت ظروف صناعية حقيقية. إلا أنّ الفريق البحثي يرى أن الإمكانات العالية لهذه المواد ستحفّز تسريع مسارها نحو التطوير الصناعي خلال السنوات المقبلة.

تختتم المراجعة بالتأكيد على أن LDH المشتقة من MOF والهجائن MOF/LDH تُعدّ من أكثر المواد الواعدة لتطبيقات الطاقة والبيئة. ويتوقع الباحثون أن تشهد الأسواق قريباً أقطاباً كهربائية ومواد امتزاز ومحفزات مبنية على هذه الهياكل المتقدمة، ما سيعزز أمن الطاقة ويسهم في تحسين جودة البيئة.