إنتاج الهيدروجين من مياه البحر

يمكن أن تصبح مياه البحر، التي تشكل أكثر من ٩٥٪ من مياه الأرض، موردًا رئيسيًا في الإنتاج المستدام لوقود الهيدروجين النظيف باستخدام محفزات تجزئة الماء التي طورها فريق بقيادة جامعة الملك عبد الله للعلوم والتقنية.

يمكن أن يوفر تقسيم المياه طريقة جذابة لحياد الكربون، خاصة عندما يقترن بمصادر الطاقة المتجددة مثل الطاقة الشمسية وطاقة الرياح. يتضمن تقسيم الماء تحلل الماء في خلية كهروكيميائية لإنتاج الهيدروجين عند الكاثود أثناء توليد الأكسجين عند الأنود تحت الجهد المطبق. ومع ذلك، فإن محفزات تطور الهيدروجين والأكسجين التي تعمل بشكل جيد في المياه العذبة تصبح أقل فعالية في مياه البحر بسبب وفرة الأيونات التي يمكن أن تعزز التفاعلات غير المرغوب فيها والمحفزات السامة.

تخضع أيونات الكلوريد شديدة التآكل الموجودة في مياه البحر لتفاعلات معقدة تتنافس مع تطور الأكسجين وتولد مركبات ضارة، مثل هيبوكلوريت. ونظرًا لأن إنتاج الهيدروجين يعتمد على تفاعلات مستقرة وفعالة في كلا القطبين، فإن هذه الأيونات تمثل تحديًا كبيرًا لتقسيم مياه البحر.

يشرح الكيميائي أن تكوين الهيبوكلوريت يمكن أن يحدث لأنه يتطلب جهد تشغيل أقل لتلبية الاحتياجات الصناعية من تفاعل تطور الأكسجين.

تتمثل إحدى طرق معالجة هذه المشكلة في تصميم محفزات أنود انتقائية ذات متطلبات جهد منخفض. أظهر محفز الأنود أحادي الطبقة من النيكل والإيريديوم أداءً معززًا واستقرارًا في مياه البحر بفضل التأثيرات التآزرية بين مكوناته المعدنية.

ابتكر الفريق نهجًا يوفر محفزات كهربائية عالية الكفاءة ومستقرة لتطور الهيدروجين لتقسيم مياه البحر. أنشأ الباحثون مفاعلات مكعبة صغيرة، حيث تم تغليف المحفز بغلاف واقي من كبريتيد الموليبدينوم. يتكون قلب المحفز من مركب نشط من الأكسدة والاختزال قائم على الموليبدينوم ومدعوم بالكربون ويتميز بهيكل نانوي مسامي يشبه الزيوليت.
باستخدام نهج قائم على الإطار العضوي المعدني، قام الباحثون بدمج سلائف معقدة معدنية مع رابط إيميدازول في وجود مادة خافضة للتوتر السطحي لتوليد مكعبات الزنك والموليبدينوم الشبيهة بالزيوليت. قاموا بخلط الهياكل الناتجة مع ثيوأسيتاميد في الإيثانول تحت الارتجاع لتكوين مرحلة مكعبة من أكسيد الموليبدينوم محصورة في غلاف رقيق من كبريتيد الزنك.

بعد ذلك، قاموا بتحويل الطور المكعب كيميائيًا إلى مركب الأكسدة والاختزال النشط المغلف بكبريتيد الموليبدينوم عند درجة حرارة عالية قبل حفر الطبقة الخارجية لكبريتيد الزنك بشكل انتقائي لإنتاج المفاعلات النانوية.

أظهرت المفاعلات النانوية نشاطًا تحفيزيًا كهربائيًا عاليًا واستقرارًا في كل من المياه العذبة ومياه البحر. "يُعزى النشاط والاستقرار الملحوظان إلى بنيتهما الفريدة."

أظهرت النواة العديد من المواقع النشطة التي عززت إنتاج الهيدروجين، وأظهرت القشرة العديد من العيوب داخل طبقاتها، خاصة الثقوب ذات الحجم دون النانومتر التي سمحت لجزيئات الماء بالتغلغل والوصول إلى المواقع النشطة الداخلية.

تعمل القشرة أيضًا كبريد متسلسل، حيث منعت الأملاح ومنعتها من الترسب في المواقع النشطة.
تعمل البنية الهرمية للمفاعل النانوي على عزل التحليل الكهربائي عن التفاعلات الجانبية. "على غرار المنزل الذكي، يحدث رد الفعل الرئيسي في الغرف بينما تحدث ردود الفعل الجانبية في الفناء الخلفي."

صدق أو لا تصدق، تعتبر مياه البحر قاعدة ممتازة للوقود. وذلك لأن مياه البحر تحتوي على مزيج من العناصر مثل الهيدروجين والأكسجين والصوديوم وغيرها، وكلها ضرورية لازدهار الحياة على الأرض. جزء الوقود هنا يأتي من الهيدروجين الموجود في مياه البحر. ولسوء الحظ، فإن سحب غاز الهيدروجين من بقية العناصر كان يمثل تحديًا كبيرًا، على الأقل حتى الآن.

ويصنع الجهاز ما يعادل وقود مياه البحر عن طريق حقن مياه البحر في نظام قمع يدفعها عبر نظام ترشيح مزدوج الغشاء. يستخدم هذا النظام أيضًا الكهرباء لسحب الهيدروجين من مياه البحر بنجاح، وفصله بشكل فعال عن العناصر الأخرى الموجودة في محيطاتنا. وتظهر نتائج هذه الدراسة الجديدة أنها يمكن أن تساعد في تعزيز الجهود الجديدة لإنتاج وقود منخفض الكربون.

وكان الفوز الكبير هنا هو أن النظام لم يخلق مجموعة من المنتجات الثانوية الضارة، وهو شيء شاهدوه في الأنظمة الأخرى. تستخدم معظم أنظمة تحويل الماء إلى الهيدروجين الحالية غشاءًا أحادي الطبقة. ومع ذلك، هذه المرة قام الباحثون بجمع طبقتين معًا، وأظهروا طريقة أفضل للتحكم في الطريقة التي تتحرك بها الأيونات في مياه البحر داخل التجربة، مما جعلها أكثر فعالية.

إن القدرة على إنتاج وقود الهيدروجين باستخدام مياه البحر قد تكون مفيدة لأنها وقود منخفض الكربون، والذي يستخدم حاليا لتشغيل المركبات الكهربائية التي تعمل بخلايا الوقود، بل ويعمل كخيار تخزين طويل الأمد لشبكات الطاقة. تتطلب المحاولات السابقة لإنتاج غاز الهيدروجين مياهًا عذبة أو محلاة، وعلى الرغم من أننا شهدنا أنظمة ناجحة لتحلية المياه، إلا أنها أكثر تكلفة وتستهلك الكثير من الطاقة.
وذلك لأن تنقية المياه قبل استخدامها تتطلب أنظمة باهظة الثمن، فضلاً عن الطاقة وحتى تعقيدًا إضافيًا للجهاز، في حين أن الجهاز الذي يمكنه استخدام مياه البحر لإنتاج وقود الهيدروجين لن يتطلب تلك الأجزاء الإضافية.

إن إنتاج الهيدروجين من مياه البحر يبدو وكأنه حلم أصبح حقيقة!
إنها وفيرة ومجانية وسهلة.
تأتي مياه البحر كمصدر لا حدود له تقريبًا للمواد الخام، ولا يوجد أحد هنا ليحاسبها. يمكن لأي شخص الحصول على دلو مليء به مجانًا.
لا بد أن اللاعبين الرئيسيين في الصناعة سيقعون في حب هذه الفكرة.
عملية استخراج الهيدروجين سهلة. تحتوي مياه البحر على كمية كبيرة من غاز الهيدروجين المذاب. ويتطلب الأمر تحليلًا كهربائيًا بسيطًا لاستخراجه، حتى أننا فعلنا ذلك عندما كنا مراهقين في صف الفيزياء!

وهنا كيف يعمل
إنه طبيعي وقابل للتخزين وآمن
تعتبر مياه البحر أحد مصادر الطاقة المتجددة التي يمكن أن تساعد في تقليل اعتمادنا على الطاقة الأحفورية. وعملية الاستخراج لا تولد انبعاثات الكربون.

يمكن تخزين الهيدروجين
يمكن استخدام الهيدروجين المخزن لتوليد الكهرباء أو تشغيل المركبات عند الحاجة بالضبط.
إنه يعوض عن انقطاع مصادر الطاقة المتجددة الأخرى – الأيام الممطرة أو الخالية من الرياح. وهو مثالي للمناطق التي لديها إمكانية الوصول إلى المسطحات الكبيرة من مياه البحر ولكن مع القليل من موارد الطاقة التقليدية.
ويمكن أن تساعد في الحد من ظاهرة الاحتباس الحراري، وضمان أمن الطاقة وحماية البيئة.

سهل للغاية، حقًا
وتستهلك هذه العملية الكثير من الطاقة: إذ يتطلب استخراج الهيدروجين من مياه البحر كمية كبيرة من الطاقة، كما أن الكفاءة الإجمالية منخفضة للغاية.
الإنتاج باهظ الثمن: يتطلب بناء البنية التحتية استثمارًا أوليًا مرتفعًا للغاية. تعتبر الصيانة أيضًا أمرًا بالغ الأهمية، حيث أن محتوى الملح في مياه البحر يمكن أن يسبب التآكل ومشكلات فنية أخرى.
المواقع نادرة: تحتاج هذه المواقع إلى مراعاة عمق المياه وجودتها، فضلاً عن القرب من مصادر الطاقة. ليست كل المناطق مناسبة لإنتاج الهيدروجين من مياه البحر!
وأخيرًا، الأمر ليس آمنًا كما تظن!

تعمل هذه العملية على تحرير غاز الكلور.
ويتحد هذا الغاز مع عناصر طبيعية أخرى ويشكل الديوكسينات التي تلوث المياه وتلوث الأسماك وتنتقل إلى الإنسان والحيوانات الكبيرة التي تأكل الأسماك.

هل تريد بعض الأمثلة فهو يجمع مع
Water =>حمض الهيدروكلوريك له تأثير سام حاد على جميع أشكال الحياة.
Hydrogen =>غاز كلوريد الهيدروجين، مركب شديد الانفجار
الأسيتيلين، وهو غاز يمكن أن تنتجه بعض الكائنات البحرية مثل البكتيريا وأنواع معينة من الطحالب. فهو يندمج في ثنائي كلورو الإيثان، وهو مركب شديد الانفجار.

الأثير، كميات ضئيلة في أنواع معينة من الطحالب. فهو يتحد مع الكلورو أسيتالديهيد، وهو مركب شديد السمية ومسبب للسرطان.
الأمونيا، التي تنتجها الكائنات البحرية عادة. فهو يندمج في الكلورامينات، وهي مادة مهيجة للجهاز التنفسي شديدة السمية.
ابتكار واعد مع القدرة على إحداث ثورة في قطاع الطاقة النظيفة
يمكن أن يحدث إنتاج الهيدروجين من مياه البحر فرقًا جذريًا ويساعد في معالجة ظاهرة الاحتباس الحراري بطريقة أكثر استدامة.
كما أن لديها القدرة على تقليل اعتمادنا على الوقود الأحفوري والتحرك نحو مستقبل أنظف وأكثر استدامة وبأسعار معقولة.
وتجعل هذه الوعود من السهل للغاية التغاضي عن التحديات والمخاطر العديدة التي ينطوي عليها الأمر.
وهذا هو نداءي إلى اللاعبين الرئيسيين في مجالي الاقتصاد والطاقة: من فضلكم دعونا نأخذ نفسًا عميقًا، ونجلس ونفكر في الأمر للحظة.

وقال الباحثون في البيان الصحفي إن العمل بمياه البحر سيكون خيارا أكثر اقتصادا، لأن تنقية المياه مكلفة، وتستهلك الكثير من الطاقة، وتضيف تعقيدا إلى الأجهزة. علاوة على ذلك، تحتوي المياه العذبة الطبيعية على شوائب تمثل مشكلة للتكنولوجيا الحديثة، بالإضافة إلى كونها موردًا محدودًا على هذا الكوكب.
وبالإضافة إلى تطوير نظام غشائي لتحويل مياه البحر إلى الهيدروجين، لاحظ الفريق أن الدراسة قدمت فهمًا شاملاً أفضل لكيفية تحرك أيونات مياه البحر عبر الأغشية. ويمكن تطبيق هذه المعرفة في مجالات أخرى، مثل إنتاج غاز الأكسجين.
علاوة على ذلك، قالوا إن فهم تدفق الأيونات والتحويل في نظام الغشاء ثنائي القطب أمر ضروري لجهود إنتاج الأكسجين من خلال التحليل الكهربائي، وأظهر الفريق أن الغشاء ثنائي القطب يمكن أن يولد غاز الأكسجين إلى جانب إنتاج الهيدروجين في تجربتهم.
ويهدف الفريق إلى تحسين الأقطاب الكهربائية والأغشية باستخدام مواد متاحة بسهولة ويمكن استخلاصها بسهولة. هذا التحسين في التصميم يمكن أن يجعل توسيع نظام التحليل الكهربائي إلى الحجم اللازم لتوليد الهيدروجين للأنشطة كثيفة الاستهلاك للطاقة مثل النقل أسهل بكثير.

تباع المنتجات في جميع مناطق الصين ويتم تصديرها إلى دول العالم. لقد تم بيعها في أكثر من 20 دولة ومنطقة بما في ذلك الولايات المتحدة، ألمانيا، المغرب، كينيا، المملكة العربية السعودية، فيتنام، الجزائر، الهند، تنزانيا، وتايوان. نجحت في توفير شركات معروفة مثل China Aerospace، وPetroChina، وChina Nuclear Group، وBYD، وJiuli Specialty، وTony Electronics، وZheng Energy Group وغيرها من الشركات المعروفة. هناك العديد من محطات هدرجة الهيدروجين الأخضر مثل وولانشابو، وهايكو، وهاينان، وهاينان هايكو، ويوننان كونمينغ، وما إلى ذلك توفر مشاريع خضراء وصناعية للهيدروجين.