Oxidation-resilient structural modifications in Nickel-functionalized 3D-graphene for hydrogen storage applications

يبحث العالم عن طريقة لتخزين الهيدروجين، وهو وقود نظيف يحترق دون إنتاج ثاني أكسيد الكربون. وبينما يحمل الهيدروجين وعوداً كبيرة لتشغيل السيارات والصناعة، فإن الحفاظ على سلامته وكثافته بما يكفي ليكون مفيداً يمثل عقبة رئيسية. تتضمن الطرق التقليدية ضغطه في خزانات ثقيلة أو تجميده إلى سائل، وكلاهما يتطلب طاقة مكثفة وينطوي على مخاطر تتعلق بالسلامة. ويتجه العلماء بشكل متزايد نحو المواد الصلبة التي يمكن أن تعمل مثل الإسفنج، حيث تمتص ذرات الهيدروجين وتتمسك بها بقوة حتى وقت الحاجة إليها. ومن بين هذه المواد، لطالما كان الجرافين — وهو طبقة واحدة من ذرات الكربون المرتبة في نمط خلية نحل — مفضلاً بسبب مساحته السطحية الهائلة. ومع ذلك، تميل صفائح الجرافين المسطحة إلى التكتل، مما يفقدها القدرة على امتصاص الغاز. ولحل هذه المشكلة، طور الباحثون نسخاً ثلاثية الأبعاد من هذه المادة، مما خلق شبكة مسامية تشبه الإسفنج تحافظ على ارتفاع المساحة السطحية وسهولة الوصول إليها. ويكمن التحدي الآن في جعل هذه الإسفنجات أفضل في التقاط الهيدروجين وضمان قدرتها على الصمود في العالم الحقيقي، حيث يتواجد الهواء والأكسجين دائماً.

لقد اتخذ فريق من الباحثين في إيطاليا والنمسا خطوة كبيرة للأمام من خلال اختبار كيف يؤثر إضافة حبيبات دقيقة من النيكل إلى إسفنج الجرافين ثلاثي الأبعاد هذا على قدرته على تخزين الهيدروجين ومقاومة الضرر الناتج عن الأكسجين. بدأوا بسقالة من كربيد السيليكون المسامي، وهو إطار متين قاموا بتحويله إلى هيكل جرافين ثلاثي الأبعاد عن طريق تسخينه إلى درجات حرارة قصوى. ثم غمروا هذا الهيكل في سائل يحتوي على جسيمات نانوية من النيكل، مما سمح لذرّات المعدن بالاستقرار على السطح. كان الهدف هو معرفة ما إذا كانت جزيئات النيكل هذه ستعمل كمحفزات، مما يساعد الجرافين على التقاط الهيدروجين بسهولة أكبر، وفهم ما يحدث عند تعرض المادة للأكسجين.

فحص الباحثون المادة أولاً تحت مجاهر قوية لرؤية كيف بدا النيكل قبل وبعد التسخين. قبل أي معالجة حرارية، ظهر النيكل كنقاط صغيرة متميزة منتشرة عبر سطح الجرافين. ومع ذلك، عندما سخنوا العينة إلى 900 درجة مئوية، حدث شيء مثير للاهتمام: بدت النقاط الفردية وكأنها اختفت. وبدلاً من الاختفاء، انتشر النيكل ليغطي مساحات سطحية ممتدة، ولم يعد مميزاً ككيانات منفصلة. أشار هذا التغيير إلى أن النيكل لم يكن مجرد جالس فوق الجرافين، بل من المرجح أنه انزلق تحت طبقات الجرافين، وهي عملية تُعرف باسم "التداخل" (intercalation). وللتأكد مما يحدث كيميائياً، استخدموا تقنية تقيس طاقة الإلكترونات القادمة من السطح. وأظهر هذا التحليل أنه مع ارتفاع درجة الحرارة، أصبح النيكل أكثر معدنية وأقل تغطية بالمواد الكيميائية المستخدمة في صنع الجسيمات في المقام الأول. والأهم من ذلك، أشارت البيانات إلى أن النيكل كان يتحرك تحت الجرافين، وهو عامل رئيسي في كيفية سلوك المادة لاحقاً.

عندما اختبر الفريق كمية الهيدروجين التي يمكن أن تحتفظ بها المادة، وجدوا أن المعالجة الحرارية أحدثت فرقاً هائلاً. فالعينات التي سُخنت إلى 900 درجة مئوية امتصت وأطلقت كميات أكبر بكثير من الهيدروجين مقارنة بتلك التي سُخنت إلى درجات حرارة أقل. وكان ذلك لأن الحرارة العالية أزالت الشوائب السطحية وخلقت نقاطاً أكثر نشاطاً لارتباط الهيدروجين بها. لكن الاختبار الحقيقي جاء عند إدخال الأكسجين. ففي العالم الحقيقي، غالباً ما يحتوي وقود الهيدروجين على كميات صغيرة من الأكسجين، والذي يمكن أن يسمم مواد التخزين ويوقف عملها. وعندما عرض الباحثون عيناتهم المعالجة بالنيكل للهواء لمدة يومين، انخفضت قدرة المادة على تخزين الهيدروجين بشكل حاد. فقد تم حظر مواقع التخزين عالية الحرارة، التي كانت فعالة للغاية، بشكل شبه كامل بواسطة الأكسجين، خاصة عند التعرض للهيدروجين الجزيئي.

ومع ذلك، لم تنتهِ القصة بالفشل. فقد وجد الباحثون أن الضرر لم يكن دائماً. فعندما قاموا بتسخين العينات المعرضة للأكسجين مرة أخرى إلى 900 درجة مئوية ثم عرضوها للهيدروجين الذري، استعادت المادة قدرتها على تخزين الهيدروجين. لقد عادت مواقع التخزين عالية الحرارة، مما أثبت أن العملية قابلة للعكس. والأكثر دهشة من ذلك، أن نوعاً معيناً من مواقع التخزين ظل قوياً طوال العملية بأكملها؛ فهذا الموقع، الذي يعمل في درجة حرارة معتدلة، لم يفقد قدرته على الاحتفاظ بالهيدروجين حتى بعد التعرض للأكسجين. في الواقع، بعد تسخين وتبريد المادة عدة مرات، أصبح هذا التخزين متوسط الحرارة أقوى في الواقع، حيث احتفظ بنسبة 85 بالمئة أكثر من الهيدروجين مما كان عليه في السابق. ويعتقد الباحثون أن هذا يعود إلى أن النيكل الذي انزلق تحت الجرافين قد خلق حواف محمية حيث يمكن للهيدروجين أن يختبئ، بعيداً عن الأكسجين الذي كان يغلق السطح.

تخلص الدراسة إلى أنه بينما يمكن للأكسجين أن يعيق مؤقتاً أداء هذه الإسفنجات المتقدمة، إلا أن الضرر ليس دائماً. فمن خلال استخدام الحرارة العالية لتنظيف السطح والاعتماد على النيكل الذي انتقل تحت الجرافين، يمكن استعادة المادة وتحسينها بل وتطويرها. يُظهر الجرافين ثلاثي الأبعاد المعالج بالنيكل مرونة ملحوظة، حيث يحافظ على قدرته على تخزين الهيدروجين حتى بعد دورات متكررة من التعرض للهواء والتجديد. وهذا يشير إلى أن مثل هذه المواد يمكن أن تكون مرشحة قابلة للتطبيق في أنظمة تخزين الهيدروجين في العالم الحقيقي، بشرط إدارتها بدورات التسخين المناسبة للحفاظ على نظافتها ونشاطها. ويسلط العمل الضوء على أن التفاعل بين المعدن وهيكل الكربون معقد وديناميكي، مما يفتح مساراً نحو حلول أكثر استقراراً وكفاءة لتخزين الطاقة.