Pseudocapacitive Behavior and Efficient Energy Storage Mechanism of Bamboo Powder-Based Porous Carbon Synergistically Modified by FeCl3-MoS2

يبحث العالم عن طرق أفضل لتخزين الطاقة، مبتعداً عن الوقود الأحفوري نحو مصادر أنظف ومتجددة. ومن أكثر الأدوات واعدة في هذا التحول هو المكثف الفائق (supercapacitor)، وهو جهاز يقع في منطقة وسطى بين البطارية والمكثف التقليدي. وبينما تتميز البطاريات بقدرتها العالية على تخزين كمية كبيرة من الطاقة لفترة طويلة، إلا أنها قد تكون بطيئة في الشحن والتفريغ. ومن ناحية أخرى، يمكن للمكثفات الفائقة امتصاص الطاقة وتحريرها بشكل فوري تقريباً، مما يجعلها مثالية للتطبيقات التي تتطلب دفعات سريعة من الطاقة، مثل الكبح التجديدي في المركبات الكهربائية أو استقرار شبكات الطاقة. ومع ذلك، ولجعل هذه الأجهزة مفيدة حقاً، يحتاج العلماء إلى ابتكار مواد أقطاب كهربائية ليست سريعة فحسب، بل قادرة أيضاً على تخزين كمية كبيرة من الطاقة. ويتضمن هذا غالباً إيجاد توازن بين نوعين من تخزين الطاقة: أحدهما يعتمد على التجميع الفيزيائي للأيونات على السطح، والآخر يتضمن تفاعلاً كيميائياً على السطح لتخزين شحنة إضافية.

لقد تصدى الباحثون في جامعة "جيلين جيانزو" لتحدي تحسين هذه الأقطاب من خلال اللجوء إلى مورد شائع ومتجدد: الخيزران. فقد طوروا طريقة لتحويل مسحوق الخيزران إلى مادة فعالة للغاية للمكثفات الفائقة. واجه الفريق مشكلة محددة مع مادة مضافة شائعة تُستخدم لتعزيز الأداء، وهي معدن ثنائي كبريتيد الموليبدينوم. وبينما يعد هذا المعدن ممتازاً في تخزين الطاقة من خلال التفاعلات الكيميائية، إلا أنه يميل إلى التكتل معاً مثل الرمل المبلل، مما يعيق قدرته على العمل بكفاءة. علاوة على ذلك، فإن المادة لا توصل الكهرباء جيداً بمفردها. ولحل هذه المشكلة، أدخل العلماء مكوناً ثانياً، وهو كلوريد الحديد، الذي عمل كأداة متعددة الأغراض. واستخدموا عملية تتضمن الحرارة والماء لدمج الخيزران والمعدن والحديد معاً، مما خلق نوعاً جديداً من الكربون المسامي. وتتميز هذه المادة الجديدة، التي أطلق عليها الباحثون اسم BPCM-1-2-800، ببنية داخلية فريدة تمنع المعدن من التكتل وتخلق شبكة واسعة من القنوات الدقيقة التي يمكن للأيونات التحرك من خلالها بسرعة.

بدأت العملية بمسحوق الخيزران الذي تم جمعه من مقاطعة آنهوي في الصين. وخلط الباحثون هذا المسحوق مع ثنائي كبريتيد الموليبدينوم ومحلول من كلوريد الحديد، ثم سخنوا الخليط في حاوية مغلقة. ساعدت هذه الخطوة، المعروفة باسم المعالجة الحرارية المائية، في كربنة الخيزران وتوزيع الحديد والمعدن بالتساوي في جميع أنحاء المادة. بعد هذا التسخين الأولي، تم خلط المادة الصلة الناتجة مع مادة كيميائية قوية تسمى هيدروكسيد البوتاسيوم وسُخنت مرة أخرى في فرن عند درجة حرارة 800 درجة مئوية. هذه الخطوة الثانية من التسخين، والتي تسمى التنشيط، قامت بنحت أجزاء من الكربون لإنشاء هيكل يشبه الإسفنج مليء بالثقوب المجهرية. وقد لعب كلوريد الحديد دوراً حاسماً هنا؛ حيث ساعد في تشكيل هذه المسام، وأحدث عيوباً في بنية المعدن جعلته أكثر نشاطاً، وتفاعل مع الكبريت الموجود في المعدن لتكوين بلورات صغيرة من كبريتيد الحديد. هذه البلورات من كبريتيد الحديد قامت بتثبيت المعدن في الكربون، مما منع انفصاله أو تكتله بمرور الوقت.

المادة الناتجة هي شبكة معقدة ثلاثية الأبعاد تبدو مثل قرص العسل تحت المجهر. وهي مليئة بمسام ذات أحجام مختلفة، تتراوح من المسام الدقيقة الصغيرة جداً إلى المسام المتوسطة الأكبر قليلاً. هذه الهيكلية الهرمية حيوية لأن المسام الأكبر تعمل كطرق سريعة لانتقال الأيونات بسرعة داخل المادة، بينما توفر المسام الأصغر مساحة سطح هائلة حيث يحدث تخزين الطاقة الفعلي. وقاس الباحثون مساحة السطح لأفضل عينة لديهم ووجدوا أنها مرتفعة بشكل مذهل، حيث تغطي أكثر من 2100 متر مربع في جرام واحد فقط من المادة. هذه المساحة السطحية الشاسعة، جنباً إلى جنب مع التفاعلات الكيميائية التي يوفرها الحديد والمعدن، تسمح للمادة بتخزين طاقة أكبر بكثير من النسخ السابقة من كربون الخيزران.

عند اختبار هذه المادة في بيئة مختبرية باستخدام محلول قلوي قوي، أظهرت المادة قدرات مثيرة للإعجاب. في اختبار ثلاثي الأقطاب قياسي، حققت المادة سعة نوعية قدرها 450 فاراد لكل جرام عند كثافة تيار تبلغ 0.5 أمبير لكل جرام. ولوضع ذلك في الاعتبار، فإن هذا الرقم أعلى بكثير من العديد من مواد الكربون المشتقة من الكتلة الحيوية الأخرى المذكورة في المؤلفات العلمية. كما أظهرت المادة استقراراً ملحوظاً؛ فبعد شحن وتفريغ 5,000 دورة، احتفظت بنسبة 95 بالمائة من سعتها الأصلية. ويشير هذا المتانة إلى أن البنية الداخلية قوية بما يكفي لتحمل الإجهاد الفيزيائي لدورات تخزين الطاقة المتكررة دون الانهيار. ويعزو الباحثون هذا النجاح إلى التآزر بين المكونات المختلفة: الكربون يوفر مساراً موصلاً للإلكترونات، والهيكل المسامي يسمح للأيونات بالتحرك بحرية، ومواقع الحديد والمعدن توفر سعة إضافية من خلال التفاعلات الكيميائية.

ولمعرفة ما إذا كان بإمكان هذه المادة العمل في جهاز حقيقي، قام الفريق بتجميع مكثف فائق متماثل باستخدام قطبين مصنوعين من مادتهم الجديدة. تم اختبار هذا الجهاز لمعرفة مقدار الطاقة التي يمكنه تخزينها ومدى جودة تسليم هذه الطاقة بسرعات مختلفة. قدم الجهاز سعة قدرها 242 فاراد لكل جرام وحقق كثافة طاقة قصوى بلغت 28.6 واط-ساعة لكل كيلوغرام. وهذا يعني أنه يمكنه تخزين كمية معتبرة من الطاقة مع الاستمرار في القدرة على إطلاقها بسرعة كبيرة. وحتى عندما تم دفع الجهاز لتقديم طاقة بمعدل عالٍ جداً، فقد حافظ على جزء كبير من قدرته على تخزين الطاقة. وفي اختبار طويل الأمد لمدة 10,000 دورة، احتفظ الجهاز بنسبة 92.3 بالمائة من سعته الأولية، مما يثبت أن المادة ليست قوية فحسب، بل موثوقة أيضاً للاستخدام طويل الأمد.

تسلط هذه الدراسة الضوء على أن المفتاح لهذا الأداء لم يكن مجرد إضافة مكون واحد، بل الموازنة بعناقة بين التفاعل بين الخيزران والحديد والمعدن. لقد عمل كلوريد الحديد كدليل، حيث شكل المسام وضمن توزيع المعدن بشكل متساوٍ، بينما خلق التنشيط عالي الحرارة الهيكل اللازم لنقل الأيونات بكفاءة. ووجد الباحثون أنه إذا استخدموا الكثير من كلوريد الحديد، فإن المسام ستنهار وينخفض الأداء. وبالمثل، إذا كانت درجة حرارة التسخين منخفضة جداً أو عالية جداً، فلن تشكل المادة الهيكل الأمثل. ومن خلال إيجاد المزيج الدقيق من المكونات والظروف، ابتكروا مادة تتغلب على قيود استخدام الخيزر فقط أو المعدن وحده.

يقدم هذا العمل مساراً واضحاً نحو إنشاء أجهزة تخزين طاقة عالية الأداء من موارد رخيصة ومتجددة ووفيرة. ومن خلال تحويل نفايات الخيزران إلى مادة أقطاب كهربائية متطورة، أثبت الباحثون طريقة هي صديقة للبيئة ومجدية اقتصادياً. يتجنب هذا النهج استخدام المواد الغالية أو السامة، معتمداً بدلاً من ذلك على عملية بسيطة وقابلة للتوسع يمكن تكييفها للإنتاج واسع النطاق. وتشير النتائج إلى أنه مع إجراء التعديلات الكيميائية الصحيحة، يمكن تحويل الكتلة الحيوية الشائعة إلى مادة قادرة على تلبية المتطلات الصارمة لأنظمة تخزين الطاقة الحديثة، مما يوفر بديلاً مستداماً للمواد المستخدمة حالياً في البطاريات والمكثفات الفائقة.