طوّر باحثون تقنية جديدة تُمكّن من إنتاج الهيدروجين على نطاق واسع من مياه البحر، دون الحاجة إلى تحلية المياه، ما يوفّر طريقة فعّالة للمناطق الساحلية القاحلة.

وصمّم الباحثون من جامعة الشارقة في الإمارات، قطبًا كهربائيًا متعدد الطبقات، يقاوم التآكل وتدهور الأداء اللذَيْن تُسببهما عادةً أيونات الكلوريد في التحليل الكهربائي التقليدي لمياه البحر.

ووفق المعلومات لدى منصة الطاقة المتخصصة (مقرّها واشنطن)، نجح الباحثون في استخلاص الهيدروجين دون إزالة الأملاح المعدنية الموجودة في مياه البحر أو إضافة أي مواد كيميائية.

يقول الباحثون، إن هذه الطريقة تُلغي الحاجة إلى محطات تحلية المياه التي تُعدّ باهظة التكلفة في البناء والتشغيل، وغالبًا ما تصل تكلفتها إلى مئات الملايين من الدولارات.

طريقة مبتكرة لإنتاج الهيدروجين

مع تزايد الحاجة الملحة إلى الطاقة النظيفة، برز الهيدروجين بوصفه حلًا واعدًا؛ لكن إنتاجه يتطلب عادةً مياهًا نقية، وهي نادرة في أجزاء كثيرة من العالم.

ووفق ما اطّلعت عليه منصة الطاقة المتخصصة، يُقدّم هذا البحث إنجازًا مُحتملًا من خلال إنتاج الهيدروجين مباشرةً من مياه البحر، ما يُغني عن الحاجة إلى موارد المياه العذبة.

وتمكّن النظام النموذجي الذي ابتكره الباحثون في جامعة الشارقة، من الحفاظ على إنتاج الهيدروجين على نطاق صناعي لأكثر من 300 ساعة دون أي خسارة في الأداء.

كما حقق كفاءة فارادية (كفاءة التيار) بنسبة 98%، ما يعني أن جميع المدخلات الكهربائية تقريبًا قد حُوّلت إلى غاز الهيدروجين، بحسب ما نقلته منصة "ساي تك ديلي" (SciTechDaily).

وقال الأستاذ المساعد في قسم الكيمياء بجامعة الشارقة، المؤلف الرئيس للدراسة، الدكتور تنوير الحق: "لقد طورنا قطبًا كهربائيًا جديدًا متعدد الطبقات، يُمكنه استخراج الهيدروجين مباشرةً من مياه البحر بكفاءة واستدامة.. تواجه الطرق التقليدية العديد من المشكلات، أبرزها التآكل وتدهور الأداء الناتج عن أيونات الكلوريد في مياه البحر".

وصمّم الفريق قطبًا كهربائيًا مصممًا خصيصًا، ووفقًا للدكتور الحق، "يتغلب على هذه المشكلات من خلال خلق بيئة دقيقة واقية وتفاعلية تعزّز الأداء مع مقاومة التلف".

وقال: "باختصار، لقد أثبتنا أن التحليل الكهربائي المباشر لمياه البحر ليس ممكنًا فحسب، بل قابل للتطوير أيضًا، ما يوفّر كفاءة على المستوى الصناعي مع حماية القطب الكهربائي على المدى الطويل".

إنتاج الهيدروجين من مياه البحر

تستعمل الدراسة -التي نُشرت في مجلة سمول (Small)- التكامل الإستراتيجي لـ"قواعد لويس للكربونات"، المُثبّتة على هيدروكسيدات مزدوجة الطبقات من الكوبالت.

وكشف فريق البحث أن دمج عنصر البورون في مصفوفة أكسيد هيدروكسيد النيكل شكّل طبقة واقية من الميتابورات، ما يمنع ذوبان المعدن وتكوين أكسيد غير موصل، ويُعزز مقاومة التآكل في ظروف مياه البحر المالحة، وفق ما نقلته منصة "إنترستينغ إنجينيرينغ" (Interesting Engineering).

ويُحقق تصميم الأنود المُتقدم الجديد للباحثين كثافة تيار قابلة للتطبيق صناعيًا تبلغ 1.0 أمبير لكل سنتيمتر مربع عند 1.65 فولت في ظل الظروف القياسية، ما يُمثل خطوة مهمة نحو إنتاج الهيدروجين القابل للتطوير، دون الحاجة إلى تحلية المياه، مباشرةً من مياه البحر.

وقال الباحثون في الدراسة: "إن قاعدة لويس تُنشئ تفاعلًا ديناميكيًا يُقسّم جزيئات الماء باستمرار مع عزل أيونات الهيدروجين، ما يُولّد بيئة حمضية دقيقة ".

وأضافوا: "يُعزّز هذا التحمض تفاعل تطور الأكسجين (OER)، ويحمي من هجوم الكلوريد وتكوين الرواسب، مُعالجًا بذلك عوائق رئيسة تتعلق بالاستقرار والكفاءة في التحليل الكهربائي المباشر لمياه البحر".

ومن أبرز ميزات هذا النظام طول عمره الافتراضي؛ إذ قال الدكتور تنوير الحق: "يعمل لأكثر من 300 ساعة دون أي انخفاض في الأداء، مقاومًا التآكل الذي عادةً ما يُدمّر الأنظمة المماثلة".

وتوضح الدراسة أن طبقة الكربونات "تعمل بوصفها درعًا كهروستاتيكية"، تحمي طبقات القطب المتعددة من الذوبان، بحسب المعلومات التي اطّلعت عليها منصة الطاقة المتخصصة.

وخلصت الدراسة إلى أنه "باختصار، تُوفر بنية القطب الكهربائي المتعددة الطبقات حلًا فعّالًا للتحليل الكهربائي المباشر الفعال لمياه البحر.. يُسهّل شكل الصفائح النانوية الفائقة الرقة، بمساحة سطحها العالية، التعرض والنشاط الكبيرين للمحفز، ما يُعزز المواقع السطحية المتاحة للأكسدة المباشرة لمياه البحر".

مزارع هيدروجين تعمل بالطاقة الشمسية

من خلال الاستغناء عن الحاجة إلى تحلية المياه العذبة التي تتطلّب طاقة كثيفة، يُمكن لهذه التقنية دعم إنشاء مزارع هيدروجين تعمل بالطاقة الشمسية في المناطق الساحلية القاحلة، مثل تلك الموجودة في الإمارات العربية المتحدة، حيث تتوفر مياه البحر وأشعة الشمس بكثرة، في حين تُعد المياه العذبة نادرة.

وإذا وُسّع نطاق النظام بشكل صحيح، يُمكن أن يُسهّل إنتاج كميات كبيرة من "الهيدروجين الأخضر"، المُنتَج من خلال التحليل الكهربائي باستعمال الطاقة المتجددة.

وصرّح أستاذ الهندسة الميكانيكية والنووية بجامعة الشارقة، المؤلف المشارك للدراسة، يوسف حايك، بأن النظام الجديد يُنتج الهيدروجين بمعدلات صناعية مناسبة -أمبير واحد لكل سنتيمتر مربع- وباستهلاك منخفض للطاقة.

وبشأن مستقبل التقنية الجديدة، أشار الدكتور تنوير الحق إلى أنها جذبت بالفعل اهتمام "الشركات الناشئة في مجال الطاقة النظيفة ومراكز الابتكار الإقليمية"، مضيفًا: "يُحوّل ابتكارنا مياه البحر من تحدٍّ إلى حل.. إنه هيدروجين نظيف مُستخرج من البحر".

ويتطلّع الباحثون الآن إلى نشر تقنيتهم على نطاق واسع؛ وقال تنوير الحق: "ننتقل الآن من نطاق المختبر إلى نطاق الاختبار التجريبي، ونسعى إلى التحقق من صحة التقنية في ظل ظروف خارجية واقعية".

وأضاف: "هدفنا التالي هو تطوير مولد هيدروجين معياري يعمل بالطاقة الشمسية، مُصمم خصيصًا للاستعمال في المناطق الساحلية القاحلة".

موضوعات متعلقة..

اقرأ أيضًا..

المصادر:

1. دراسة حول إنتاج الهيدروجين من مياه البحر بطريقة مبتكرة من مجلة "سمول".
2. معلومات عن التقنية الجديدة لإنتاج الهيدروجين من مياه البحر من منصة "إنترستينغ إنجينيرينغ".
3. معلومات إضافية عن التقنية الجديدة من منصة "ساي تك ديلي".