ZIF-Derived Fe/Co/Zn Ternary Metal Oxide Embedded N-Doped Carbon for Supercapacitor and Hydrogen Evolution Reaction (HER)

تخيل شبكة الطاقة في العالم كمدينة ضخمة ومزدحمة. لعقود من الزمن، كانت هذه المدينة تعمل بالوقود الأحفوري — الفحم والنفط والغاز — وهي تشبه بطاريات متسخة ومحدودة تنفد في النهاية وتترك وراءها فوضى من الضباب الدخاني. ولإبقاء الأضواء مشتعلة دون خنق الكوكب، يعمل العلماء على بناء بنية تحتية جديدة تعتمد على الطاقة النظيفة مثل الرياح والشمس. لكن تكمن المشكلة في أن الشمس لا تشرق دائمًا، والرياح لا تهب دائمًا. نحن بحاجة إلى طريقة لالتقاط تلك الطاقة الزائدة عندما تكون وفيرة، وتخزينها لوقت الندرة. وهنا يأتي دور المكثفات الفائقة والهيدروجين. فكر في المكثف الفائق ليس كبطارية بطيئة الشحن، بل كإسفنجة عالية السرعة يمكنها ابتلاع الكهرباء وبصقها مرة أخرى في لمح البصر، وهو أمر مثالي لتشغيل السيارات الكهربائية أو هاتفك. وفي الوقت نفسه، يعد الهيدروجين وقودًا نظيفًا وغير مرئي يمكن صنعه عن طريق شطر الماء باستخدام الكهرباء، ليعمل كخزان تخزين طويل الأمد لطاقتنا الخضراء. التحدي الكبير؟ هو صنع هذه "الإسفنجات" و"آلات الشطر" من مواد رخيصة، ومتينة، وفعالة للغاية.

تخبرنا هذه الورقة قصة فريق من العلماء الذين حاولوا بناء مادة خارقة عبر إعداد وصفة باستخدام "أقفاص معدنية". لقد بدأوا بشيء يسمى الأطر المعدنية العضوية (MOFs)، والتي تشبه خلايا النحل البلورية المجهرية المكونة من ذرات معدنية متصلة بخيوط عضوية. وتحديدًا، استخدموا نوعين من هذه الأقفاص المعدنية، المعروفين باسم ZIF-8 وZIF-67، واللذين يشتهران بكونهما مساميين ومنظمين للغاية. قرر الباحثون خلط معدن ثالث، وهو الحديد، لإنشاء فريق "ثلاثي" (ثلاثي المعادن) يتكون من الزنك والكوبالت والحديد. ثم أخذوا هذا الخليط من الأقفاص المعدنية وخبزوه في فرن عند درجات حرارة مختلفة (300 درجة مئوية و400 درجة مئوية). عملية الخبز هذه، التي تسمى "الكربنة"، حولت الخيوط العضوية إلى هيكل كربوني موصل بينما حولت الأقفاص المعدنية إلى أكاسيد معدنية بلورية صغيرة مغروسة في مصفوفة كربون غنية بالنيتروجين. الأمر يشبه تحويل منحوتة سكر رقيقة إلى حصن كربوني متين وموصل مع الحفاظ على شكلها المعقد والمسامي.

كانت نتائج هذه التجربة الطهوية لذيذة للغاية. وجد الفريق أن المادة التي خُبزت عند 400 درجة مئوية، والتي أطلقوا عليها اسم Fe/Co/Zn-400، كانت نجمة متألقة للمكثفات الفائقة. فعند اختبارها، استطاعت هذه المادة تخزين كمية هائلة من الطاقة، محققة سعة نوعية بلغت 1070 فاراد لكل جرام (F/g) عند كثافة تيار قدرها 0.5 أمبير لكل جرام (A/g). ولوضع ذلك في المنظور، فالأمر يشبه امتلاك إسفنجة يمكنها احتواء كمية أكبر بكثير من الماء مقارنة بمنافسيها. وأظهرت الدراسة أن هذه المادة تخزن الطاقة بشكل أساسي من خلال آلية "شبه سعوية" (pseudocapacitive)، وهي طريقة منمقة تعني أن الأيونات (الجسيمات المشحونة) تلتصق بالسطح وتتفاعل بسرعة، بدلاً من مجرد التغلغل ببطء في أعماق المادة. وعندما صنعوا جهازًا كاملاً باستخدام هذه المادة، استطاع تقديم كثافة طاقة بلغت 36 واط ساعة لكل كيلوغرام (Wh/kg) عند كثافة قدرة بلغت 480 واط لكل كيلوغرام (W/kg). ولعل الأمر الأكثر إثارة للإعجاب هو أن هذا الجهاز كان قويًا؛ فبعد 1500 دورة شحن وتفريغ، ظل يحتفظ بـ 80% من سعته الأصلية، وقد فعل ذلك بكفاءة كولومبية بلغت 100%، مما يعني عدم ضياع أي طاقة تقريبًا أثناء العملية.

لكن القصة لا تنتهي عند تخزين الطاقة؛ فقد اختبر الفريق أيضًا ما إذا كانت هذه المواد يمكن أن تساعد في شطر الماء لصنع وقود الهيدروجين، وهي عملية تُعرف باسم تفاعل تطور الهيدروجين (HER). هنا، سرقت المادة التي خُبزت عند 300 درجة مئوية (Fe/Co/Zn-300) الأضواء. فقد تطلبت جهدًا زائدًا قدره 70 ميلي فولت فقط لبدء التفاعل عند كثافة تيار بلغت 50 مللي أمبير لكل سنتيمتر مربع (mA/cm²)، وهي تكلفة طاقة منخفضة جدًا مقارنة بالمواد الأخرى. في الواقع، تفوقت عينة Fe/Co/Zn-300 على نسخة الـ 400 درجة مئوية وعلى السلف المعدني الأصلي في هذه المهمة المحددة. كما تحقق الباحثون من مدى قدرة هذه المواد على الاستمرار في العمل؛ حيث أجروا اختبارًا لمدة 18 ساعة، وظلت المواد مستقرة مع انخفاض طفيف للغاية في النشاط، مما يشير إلى أنها متينة بما يكفي للاستخدام في العالم الحقيقي.

استخدم العلماء مجموعة متنوع من الأدوات لاستكشاف ابتكاراتهم من الداخل. استخدموا حيود الأشعة السينية (XRD) للتأكد من أن المواد قد تحولت إلى بنية بلورية محددة تسمى "السبينل" (spinel)، وهي معروفة باستقرارها وتوصيلها. ونظروا إلى المواد تحت مجاهر قوية (TEM وSEM) ورأوا أن نسخة الـ 400 درجة مئوية تمتلك سطحًا خشنًا ومساميًا مع جسيمات نانوية صغيرة تتراوح أحجامها بين 10 إلى 20 نانومتر. هذه المسامية أمر بالغ الأهم_ية لأنها تمنح الإلكتروليت (السائل الذي يحمل الأيونات) مساحة سطح كبيرة للمسها، مما يسرع عملية نقل الطاقة. كما قاموا بقياس مساحة السطح ووجدوا أن عينة الـ 400 درجة مئوية تمتلك مساحة سطح أكبر بكثير (95 م²/جم) مقارنة بعينة الـ 300 درجة مئوية (37 م²/جم)، وهذا يفسر سبب تفوقها في تخزين الطاقة.

في النهاية، تشير هذه الورقة إلى أنه من خلال التحكم بدقة في درجة الحرارة عند خبز هذه السلائف المعدنية، يمكنك ضبط المادة للقيام بمهام مختلفة. إذا كنت بحاجة إلى بطارية عالية الطاقة لمكثف فائق، فإن نسخة الـ 400 درجة مئوية هي البطلة. وإذا كنت بحاجة إلى محفز لصنع وقود الهيدروجين، فقد تكون نسخة الـ 300 درجة مئوية هي الخيار الأفضل لك. لا تدعي الدراسة أنها حلت أزمة الطاقة العالمية، لكنها تقدم وصفة واعدة لصنع مواد فعالة، ومستقرة، وقادرة على التعامل مع متطلبات شبكة الطاقة الخضراء المستقبلية. ويؤكد المؤلفون أن النجاح يأتي من "التكامل التآزري" بين المعادن الثلاثة والكربون المطعّم بالنيتروجين، مما يخلق هيكلًا يتميز بالتوصيل والامتلاء بالمواقع النشطة حيث يحدث السحر.