سيراميك يعالج فجوة الأداء في خلايا وقود الهيدروجين

في دراسة حديثة نشرتها دورية أنجيفاندته كيمي (Angewandte Chemie) الألمانية، أعلن فريق بحثي من معهد طوكيو للعلوم عن تطوير مادة سيراميكية جديدة قد تساهم في تجاوز العقبات التقنية التي واجهت خلايا الوقود البروتونية لسنوات.

قاد البحث البروفيسور ماساتومو ياشيما بالتعاون مع فريق من الباحثين اليابانيين، وركزت الدراسة على تحسين التوصيل البروتوني في درجات الحرارة المتوسطة. وتعتمد المقاربة العلمية الجديدة على استخدام مادة سيراميكية من نوع البيروفسكايت (Perovskite)، وتحديداً مركب أكسيد الباريوم والسكانديوم. وطبق الباحثون استراتيجية تقنية تسمى بـ التطعيم المشترك بالمانحين (Donor co-doping)، وذلك من خلال إدخال عنصرين معدنيين هما الموليبدينوم (Mo) والتنغستن (W) في البنية البلورية للمادة، وأدى ذلك إلى رفع كفاءة مرور أيونات الهيدروجين (بروتونات) بشكل ملحوظ.

الآلية التقنية لعمل خلية الوقود

تعمل خلايا الوقود السيراميكية على مبدأ تحويل الطاقة الكيميائية الكامنة في الهيدروجين مباشرة إلى كهرباء عبر تفاعل مع الأوكسجين. وتتكون الخلية من ثلاثة أجزاء أساسية: المصعد أو القطب السالب (Anode)، والمهبط أو القطب الموجب (Cathode)، وبينهما مادة سيراميكية صلبة تعمل كـ إلكتروليت أو وسيط ناقل. فعند دخول غاز الهيدروجين إلى جهة المصعد، يخضع لعملية انفصال كيميائي ينتج عنها إلكترونات وبروتونات. وبينما تسير الإلكترونات في دائرة خارجية لتوليد التيار الكهربائي، يتوجب على البروتونات (أيونات الهيدروجين الموجبة) العبور من خلال المادة السيراميكية لتصل إلى جهة المهبط، حيث تتحد مع الأكسجين لإنتاج الماء والحرارة. ويتوقف أداء الخلية بالكامل على سرعة وسلاسة عبور هذه البروتونات عبر السيراميك، وهو الجزء الذي ركزت عليه أبحاث معهد طوكيو.

فجوة نورباي وتحرير البروتونات

واجهت خلايا الوقود السيراميكية البروتونية تاريخياً مشكلة تقنية تُعرف باسم فجوة نورباي (Norby Gap). والتي تؤدي إلى انخفاض حاد في قدرة المادة على توصيل البروتونات عند العمل في نطاق درجات حرارة متوسطة. ففي هذه الحالة، تصبح البروتونات أقل قدرة على الحركة نتيجة احتجازها بالقرب من مواقع ذرية معينة داخل الشبكة البلورية للسيراميك، مما يستلزم رفع درجة الحرارة إلى مستويات عالية (أكثر من 700 درجة مئوية) لضمان استمرار التدفق.

تعدّ البنية البلورية