One-Step Electrodeposited Manganese-Copper Heterojunction Electrode for Efficient Electrochemical Nitrate Reduction to Ammonia

تُعد المياه الغنية جداً بالنترات مشكلة متزايدة لكوكبنا. فعندما تنجرف هذه المادة الكيميائية، التي غالباً ما تكون نتاجاً ثانوياً للزراعة والصناعة، إلى الأنهار والمياه الجوفية، فإنها تخل بالتوازن الدقيق للطبيعة ويمكن أن تسبب المرض للإنسان. ففي جسم الإنسان، يمكن للنترات أن تتحول إلى مركبات ضارة تؤثر على الدم وتزيد من خطر الإصابة بأمراض خطيرة بمرور الوقت. ولعقود من الزمن، كانت الطريقة القياسية لتنقية هذه المياه هي تجريد الماء من النيتروجين تماماً، وتحويله إلى غاز غير ضار يتصاعد في الهواء. وبينما يزيل هذا الإجراء الخطر، فإنه يهدر أيضاً مورداً قيماً؛ فالنيتروجين هو المكون الرئيسي في الأسمدة، وهو أيضاً مصدر محتمل للطاقة النظيفة. وثمة حل أكثر أناقة، يتمثل في التقاط ذلك النيتروجين وتحويله مباشرة إلى أمونيا، وهي مادة كيميائية مفيدة، مع تنقية المياه في الوقت ذاته.

يكمن التحدي في الكيمياء. إن تحويل النترات إلى أمونيا يشبه محاولة بناء هيكل معقد من كومة من الطوب الملتحم ببعضه البعض؛ إذ يتطلب الأمر الكثير من الطاقة وأدوات دقيقة لتفكيكها وإعادة ترتيبها دون إحداث فوضى. يستخدم العلماء الكهرباء لدفع هذه العملية، لكن الأدوات التي يستخدمونها، والتي تسمى الأقطاب الكهربائية، كانت تاريخياً باهظة الثمن، أو غير مستقرة، أو غير فعالة. فهي غالباً ما تفشل في إنتاج كميات كافية من الأمونيا المطلوبة، أو تتلف بسرعة. وقد حاول الباحثون استخدام معادن متنوعة لحل هذه المشكلة، لكن العثول إلى مادة رخيصة، ومتينة، وفعالة للغاية ظل عقبة كبيرة.

لقد طور فريق من الباحثين في جامعة "ووهان بوليتكنيك" نهجاً جديداً يعالج هذه المشكلات من خلال إنشاء عملية بسيطة مكونة من خطوة واحدة لبناء قطب كهربائي متخصص. فبدلاً من استخدام معادن باهظة الثمن أو طرق تصنيع معقدة، قاموا بتنمية طبقة رقيقة من المنجنيز والنحاس مباشرة على قطعة من رغوة النيكل الشائعة. تعمل هذه الرغوة كهيكل عظمي متين، بينما يشكل المنجنيز والنحاس شراكة فريدة على سطحها. وقد وجد الباحثون أنه عندما خلطوا هذين المعدنين بنسبة محددة، أصبحت المادة الناتجة آلة عالية الكفاءة لتحويل النترات إلى أمونيا.

في تجاربهم، اختبر الفريق هذا القطب الجديد في محلول يحتوي على النترات. وعندما طبقوا جهداً كهربائياً لطيفاً، بدأ القطب عمله. وكانت النتائج مذهلة؛ فعند جهد محدد قدره سالب صفر فاصلة أربعة فولت، تمكن القطب من تحويل 94% من الطاقة الكهربائية التي استهلكها مباشرة إلى إنتاج الأمونيا. وهذا مقياس للكفاءة يُعرف باسم "الكفاءة الفارادية". ومن حيث السرعة، أنتج القطب الأمونيا بمعدل 0.82 ملليجرام في الساعة لكل سنتيمتر مربع من سطحه. وكانت هذه الأرقام أفضل بكثير مما حققه الب la باحثون عند اختبار أقطاب مصنوعة من النحاس وحده أو المنجنيز وحده، مما أثبت أن الجمع بين المعدنين كان مفتاح النجاح.

أراد الباحثون أيضاً معرفة ما إذا كانت هذه المادة الجديدة يمكن أن تصمد. ففي عالم التنقية الكهروكيميائية، غالباً ما تتدهور المواد أو تفقد فعاليتها بعد فترة قصيرة. ولاختبار ذلك، قاموا بتشغيل القطب بشكل مستمر لمدة مئة ساعة. وطوال هذه الفترة الطويلة، حافظ القطب على أدائه العالي، حيث ظلت كفاءته فوق 90%. كما فحصوا الماء بعد الاختبار ووجدوا أنه لم يذب تقريباً أي معدن، مما أكد أن الهيكل صلب ومتين. وهذا الاستقرار أمر بالغ الأهمية لأي تكنولوجيا تأمل في الاستخدام في محطات معالجة المياه في العالم الحقيقي.

ولفهم سبب نجاح هذا المزيج بهذا الشكل الجيد، نظر الفريق بدقة في كيفية ترتيب الذرات وكيفية تفاعلها مع الماء. واكتشفوا أن نقطة الالتقاء حيث يلتقي المنجنيز والنحاس تخلق بيئة خاصة. تساعد هذه الواجهة القطب على جذب جزيئات النترات من الماء بشكل أكثر فعالية. والأهم من ذلك، أنها تسهل على القطب شطر جزيئات الماء لإطلاق ذرات الهيدروجين، وهي الضرورية لبناء الأمونيا. وقد اختبر الباحثون ذلك بإضافة مادة تحجز هذه الذرات الهيدروجينية؛ وعندما فعلوا ذلك، انخفض إنتاج الأمونيا بشكل حاد، مما أكد أن توليد هذه الذرات الهيدروجينية كان خطوة حاسمة في العملية.

تشير الدراسة إلى أن سر هذا النجاح لا يكمن فقط في وجود المعادن، بل في الطريقة التي اتحد بها هذان المعدنان. فالجمع بينهما يخلق سطحاً أفضل في التمسك بالنترات وأسرع في نقل ذرات الهيدروجين اللازمة إلى موقع التفاعل. وخلافاً للطرق السابقة التي تطلبت عمليات تصنيع معقدة متعددة الخطوات أو معادن نبيلة باهظة الثمن، يمكن صنع هذا القطب الجديد في خطوة واحدة باستخدام مواد شائعة. وبينما يشير الباحثون إلى أن هناك حاجة لمزيد من العمل لتوسيع نطاق هذا العمل للاستخدام الصناعي، فإن نتائجهم تقدم مساراً واعداً للمضي قدماً. لقد أظهروا أن مزيجاً بسيطاً ومنخفض التكلفة من المنجنيز والنحاس يمكنه تحويل ملوث مستمر إلى مورد قيم بكفاءة عالية واستقرار طويل الأمد.