فريق أمريكي يطوّر حامل كربون جديد يحافظ على 85% من كفاءة المحفز في خلايا الوقود بعد 150 ألف دورة

أخبار ar.wedoany.com، حقّق فريق بقيادة البروفيسور Gang Wu، الحاصل على كرسي Elvera وWilliam R. Stuckenberg للتدريس المتميز في كلية ماكيلفي للهندسة بجامعة واشنطن في سانت لويس، بالتعاون مع فرق من مختبر بروكهافن الوطني ومختبر لورانس بيركلي الوطني وجامعة نورث إيسترن وجامعة بيتسبرغ، تقدمًا في مجال المحفزات المستخدمة في خلايا الوقود منخفضة الحرارة. وقد طوّر الفريق حامل كربون جديدًا ذا بنية نانوية يتيح تصنيع جسيمات نانوية معدنية بينية من البلاتين والكوبالت عالية النشاط والاستقرار في درجات حرارة مرتفعة. نُشرت النتائج في 6 أغسطس 2026 في مجلة Nature Nanotechnology.

من بين المشكلات الواقعية التي تستهدفها هذه التقنية استهلاك الكهرباء في مراكز البيانات. فقد أدى التزايد الكبير في إنشاء مراكز بيانات جديدة في الولايات المتحدة إلى رفع الطلب على الكهرباء اللازمة لتشغيلها وتبريدها. وتقدّر مؤسسة أبحاث الطاقة الكهربائية أن استهلاك مراكز البيانات قد يصل بحلول عام 2030 إلى 9% من إجمالي توليد الكهرباء السنوي في الولايات المتحدة، مقارنة بنحو 4% في عام 2023. وأشار Wu إلى أنه إذا تمكنت مراكز البيانات من توليد الكهرباء ذاتيًا عبر خلايا الوقود، التي تحوّل الهيدروجين وغيره من الوقود مباشرة إلى طاقة كهربائية، فسيسهم ذلك في تخفيف الضغط على شبكة الكهرباء.

يعتمد مبدأ عمل خلايا الوقود على دمج الهيدروجين والأكسجين بمساعدة محفز لإنتاج الكهرباء والماء والحرارة. ويعمل المحفز على تسريع التفاعل وتقليل فقد الطاقة وتحسين الأداء العام والمتانة على المدى الطويل. ويتمثل التحدي الحالي في تصميم المحفز، إذ لا تزال المواد الحالية غير كافية من حيث النشاط والمتانة لتحقيق أهداف الأداء المطلوبة.

يُعد البلاتين مادة محفزة مثالية، لكنه معدن نفيس، لذا فإن الهدف هو تقليل الكمية المستخدمة منه قدر الإمكان دون المساس بأداء التحفيز. ويمكن أن يؤدي تشكيل البلاتين في جسيمات نانوية إلى زيادة مساحة السطح المعرّض بشكل كبير، بحيث تنخفض الكمية المستخدمة عادة إلى أقل من ربع مليغرام لكل سنتيمتر مربع. غير أن الجسيمات النانوية قد تذوب أو تنتقل أو تكبر أثناء تشغيل خلية الوقود، مما يؤدي إلى تدهور تدريجي في الأداء.

تُظهر المحفزات البلاتينية المعدنية البينية الناشئة آفاقًا واعدة أكثر من سبائك البلاتين التقليدية من حيث النشاط التحفيزي والاستقرار. وللحفاظ على تشتت جيد للجسيمات النانوية وتعظيم الاستفادة من البلاتين، تُصنَّع معظم المحفزات الحالية عبر التلدين عند درجات حرارة أقل من 700 درجة مئوية. غير أن هذه الدرجة لا تكفي لتحقيق الانتقال الكامل من الترتيب الذري العشوائي إلى الترتيب المنتظم، وهو انتقال ضروري لتعزيز نشاط واستقرار المحفزات المعدنية البينية.

عالج حامل الكربون الجديد ذو البنية النانوية الذي طوّره فريق Wu — وهو كرات كربون مجوفة ومسامية ذات قنوات نانوية شعاعية منتظمة ومسامية عالية ومساحة سطحية نوعية كبيرة — هذه المعضلة. فهذه المادة الكربونية الفريدة تتيح تكوين جسيمات نانوية معدنية بينية من البلاتين والكوبالت عالية الكثافة وحسنة التشتت في درجات حرارة مرتفعة، مع الحفاظ على توزيع متجانس للجسيمات النانوية، مما يتغلب على المعضلة بين درجة الترتيب الذري وتجانس توزيع الجسيمات.

قام فريق البحث بتسخين محفز البلاتين والكوبالت إلى 1000 درجة مئوية، وهي درجة كافية لتكوين بنية عالية الانتظام، مع الحفاظ على حجم الجسيمات النانوية أقل من 5 نانومترات وتوزيعها المتجانس، حتى عند المحتوى البلاتيني المرتفع الذي تفضّله الصناعة. وحافظ هذا الحامل على 85% من الأداء بعد 150 ألف دورة جهد كهربائي، أي ما يعادل حوالي 25 ألف ساعة تشغيل. وعادةً ما يؤدي تكوين جسيمات أكبر إلى التضحية بالنشاط مقابل الحصول على الاستقرار؛ كما أن الجهود الأخرى لتحسين الاستقرار غالبًا ما تفقد النشاط. ويتغلب هذا الحامل الكربوني، بفضل مساماته الأكبر ومساميته المنتظمة ومساحة سطحه الهائلة، على المفاضلة بين النشاط والاستقرار.

وأوضح Wu أن البنية القنوية المفتوحة تسهم في توزيع متجانس للمواد المحتوية على الأيونات (مثل البوليمر الأيوني) وتعزز نقل البروتونات والأكسجين والماء داخل القطب. ونتيجة لذلك، أظهرت جسيمات البلاتين والكوبالت المدمجة في هذا الحامل أداءً جيدًا ومتانة طويلة الأمد. وقد تقدّم Wu بطلب لتسجيل براءة اختراع لهذه التقنية عبر مكتب إدارة التقنية بجامعة واشنطن. وأعرب عن أمله في أن يؤدي مواصلة التطوير والتعاون مع القطاع الصناعي إلى حل التحديات المتبقية المتعلقة بالمحفزات، والدفع نحو تطبيقات أكثر كفاءة واستدامة لتقنية خلايا الوقود.