يعتبر الهيدروجين وقودًا مثاليًا تقريبًا لأنه عند حرقه لا ينبعث منه غازات دفيئة ضارة مثل ثاني أكسيد الكربون - فقط بخار الماء. ومع ذلك ، فإن عصر الوقود النظيف لم يحن بعد - فهو مكلف للغاية لإنتاج الهيدروجين. أحد الأسباب هو أن العملية تستخدم محفزات معدنية نبيلة.
وجد العلماء في Tomsk Polytechnic University (TPU) بديلاً أكثر بأسعار معقولة لمعادن مجموعة البلاتين وطوروا تقنية لإنتاج مادة واعدة - كربيد التنجستن المكعب. كيف سيقرب اكتشاف الباحثين الروس من الاستخدام الواسع النطاق لوقود الهيدروجين - تحت الخفض.
لماذا الهيدروجين؟
يتزايد الطلب على الهيدروجين ، ويتضاعف حجم استخدامه كل 15 عامًا. يستخدم هذا العنصر الكيميائي على نطاق واسع في صناعة النفط.
بالإضافة إلى ذلك ، يلعب الهيدروجين دورًا رئيسيًا في ما يسمى بإزالة الكربون من الاقتصاد ، مما يعني تجنب استخدام الهيدروكربونات. كوقود ، هو أحد البدائل الأكثر ضررًا. وفقًا لتقديرات BloombergNEF (BNEF) ، يمكن لما يسمى بالهيدروجين "الأخضر" الذي يتم الحصول عليه عن طريق التحليل الكهربائي أن يقلل الانبعاث العالمي لغازات الاحتباس الحراري إلى 34٪ من عام 2050.
اليوم ، يقدر حجم سوق وقود الهيدروجين بنحو 700 مليار دولار ، وفي جميع الوثائق الاستراتيجية للاتحاد الأوروبي المعتمدة مؤخرًا ، تم تسمية الهيدروجين المحرك الرئيسي للنمو للتغلب على الأزمة الاقتصادية الناجمة عن COVID-19.
صعوبات الإنتاج
لا يوجد الهيدروجين عمليًا على الأرض في شكله النقي ؛ يُستخرج العنصر من مركبات أخرى نتيجة للتفاعلات الكيميائية. كقاعدة عامة ، هذا إنتاج غير مربح اقتصاديًا أو من الصعب وضعه على القضبان الصناعية. يدرس العلماء طرقًا مختلفة لجعل إنتاج الهيدروجين أرخص وأسهل. بعد كل شيء ، هذا يؤثر بشكل مباشر على السرعة التي يمكن أن يتحول بها العالم إلى وقود أكثر اخضرارًا.
يتوقع خبراء المصدر BNEF أنه حتى قبل عام 2030 ، سيكلف الهيدروجين "الأخضر" ما يزيد قليلاً عن 2 دولار / كجم وسوف يتنافس مع الفحم والغاز الطبيعي في الصناعة ، على سبيل المثال ، في إنتاج الصلب. وبحلول عام 2050 ، سيكون العنصر الكيميائي قادرًا على منافسة أسعار الفحم الأرخص ، مع عدم إنتاج جرام واحد من ثاني أكسيد الكربون.
الاحتمالات جيدة. على سبيل المثال ، قبل عام ، بدأت شركة النفط الألمانية شل في بناء أحد أكبر مصانع إنتاج الهيدروجين في العالم عن طريق التحليل الكهربائي. ومن المقرر أن يبدأ تشغيله بحلول نهاية العام وسيكون قادرًا على إنتاج ما يصل إلى 1300 طن من الهيدروجين سنويًا.
محفز أرخص
عادةً ما يستخدم التحليل الكهربائي للهيدروجين محفزات مصنوعة من معادن مجموعة البلاتين - البلاتين والإيريديوم والروثينيوم ومشتقاتهم. كلها مصنفة على أنها معادن ثمينة وهي باهظة الثمن.
التناظرية الأرخص هي كربيد التنجستن المكعب. شروط إنتاجه ليست بسيطة: يتطلب التركيب درجة حرارة 3000 درجة مئوية وتبريدًا سريعًا للغاية. لكن علماء جامعة تومسك للفنون التطبيقية تمكنوا من تطوير جهاز يسمح بإنتاج هذه المادة بنسبة عالية من النقاء (تصل إلى 95٪).
تركيب المصدر - مسرع البلازما المغناطيسية المحورية. يحقق درجات حرارة عالية وتبريدًا فائق السرعة بمساعدة نفاثات البلازما. تزيد سرعتها عن 3 كم / ثانية ، ويستغرق التفاعل نفسه أقل من 1 مللي ثانية. يتم وضع مساحيق التنجستن وأسود الكربون المتاحة والرخيصة نسبيًا في المسرع. في غرفة عمل الجهاز ، يتم تحويل المساحيق الأولية إلى كربيد التنجستن المكعب أثناء تفاعل البلازما الكيميائي. ووصف العلماء نتائج التجارب في المجلة العلمية مجلة السبائك والمركبات .
يتم استخدام الجسيمات النانوية من كربيد التنجستن المكعب الذي تم الحصول عليه أثناء التفاعل بنجاح في تفاعل الحصول على الهيدروجين من الماء. سيسمح هذا بتقليل استخدام المعادن النبيلة النادرة والمكلفة لمجموعة البلاتين ، " كما يقول إيفان شانينكوف ، الأستاذ المساعد في قسم الطاقة والهندسة الكهربائية في TPU .
ماذا بعد
أكد علماء TPU الطبيعة الواعدة للمادة مع باحثين صينيين من جامعة جيلين وجامعة تشينغداو. في المستقبل ، يخطط العلماء لزيادة النشاط التحفيزي للمادة والتخلي تمامًا عن استخدام المعادن النبيلة باهظة الثمن في التحفيز الكهربائي للهيدروجين من الماء.
