Photoelectric Synergistic Supercapacitor Constructed by Cerium and Cobalt Co‑Doped Zinc Ferrite Cathode and Hydrophilic Carbon Nanotubes

تعد تخزين الطاقة المحرك الصامت للعالم الحديث، فهي تمد كل شيء بالطاقة، بدءاً من الهاتف الذكي في الجيب وصولاً إلى الشبكة التي تضيء مدينة بأكملها. لعقود من الزمن، اعتمد العلماء على طريقتين رئيسيتين لتخزين الكهرباء: البطاريات، التي تحتفظ بقدر كبير من الطاقة ولكنها تُشحن ببطء، والمكثفات الفائقة، التي يمكنها الشحن والتفريغ في ثوانٍ ولكنها غالباً ما تحمل طاقة أقل. إن سد هذه الفجوة هو هدف رئيسي للباحثين، الذين يبحثون باستمرار عن مواد يمكنها حمل المزيد من الطاقة دون التضحية بالسرعة. يتضمن أحد المسارات الواعدة استخدام أكاسيد المعادن — وهي مركبات مكونة من الأكسجين ومعادن مثل الحديد أو الزنك — والتي يمكنها تخزين الطاقة من خلال تفاعلات كيميائية على سطحها. ومع ذلك، غالباً ما تعاني هذه المواد من ضعف الموصلية أو الهياكل غير المستقرة التي تتفكك بعد الاستخدام المتكرر. ولحل هذه المشكلة، بدأ العلماء في تجربة "التطعيم" (doping)، وهي عملية يتم فيها خلط كميات ضئيلة من عناصر أخرى في المادة لتعديل خصائصها، تماماً مثل إضافة رشة ملح لتغي م نكهة الطبق. ومن خلال الاختيار الدقيق لهذه الإضافات، يأمل الباحثون في إنشاء مادة تكون قوية وفعالة للغاية في آن واحد، وقادرة على العمل بالتزامن مع الضوء لتخزين المزيد من الطاقة.

في دراسة حديثة، تصدى فريق من الباحثين من عدة مؤسسات صينية لهذا التحدي عبر تصميم نوع جديد من المكثفات الفائقة يجمع بين أكسيد معدني هندسي خاص وشكل فريد من الكربون. يكمن جوهر ابتكارهم في الكاثود، أو القطب الموجب، المصنوع من فيريت الزنك، وهي مادة معروفة باستقرارها ولكن بأداء محدود بمفردها. قرر الفريق تعديل هذه المادة عن طريق إدخال عنصرين محددين: السيريوم، وهو معدن أرضي نادر، والكوبالت، وهو معدن انتقالي. لم يكتفوا بمجرد خلط هذه العناصر، بل استخدموا عملية دقيقة متعددة الخطوات تتضمن التسخين بالموجات الدقيقة والخبز في درجات حرارة عالية لنمو المادة في شكل محدد. وكانت النتيجة عبارة عن مجموعة من الهياكل الصغيرة الشبيهة بالزهور المكونة من صفائح رقيقة ومتداخلة. هذا الشكل أمر بالغ الأهمية لأنه يخلق مساحة سطح شاسعة، مما يوفر مساحة أكبر للتفاعلات الكيميائية التي يتم من خلالها تخزين الطاقة. ولإكمال الجهاز، قاموا بربط هذا الكاثود الشبيه بالزهور بآنيود، أو قطب سالب، مصنوع من أنابيب الكربون النانوية التي تمت معالجتها لتصبح محبة للماء (hydrophilic). تسمح هذه المعالجة للإلكتروليت، وهو السائل الذي ينقل الأيونات بين الأقطاب، بترطيب السطح بسهولة، مما يقلل المقاومة ويحسن تدفق الكهرباء.

اختبر الباحثون أولاً كيف يؤثر وقت التحضير وكمية العناصر المضافة على أداء المادة. ووجدوا أن نمو الهياكل الشبيهة بالزهور لمدة اثنتي عشرة ساعة بالضبط أنتج الشكل الأكثر فعالية، مما حقق توازناً بين الحاجة إلى مساحة سطح كبيرة والاستقرار الهيكلي. كما حددوا أن نسبة تطعيم قدرها 0.5 بالمائة لكل من السيريوم والكوبالت هي النقطة المثالية. عند هذا المستوى، حققت المادة مساحة سطح نوعية بلغت 126.4 متراً مربعاً لكل جرام، وهو رقم يشير إلى كمية هائلة من السطح المكشوف لتخزين الطاقة. وعند اختبارها في نظام ثلاثي الأقطاب قياسي، قدمت هذه المادة المحسنة سعة نوعية بلغت 517 فاراد لكل جرام عند كثافة تيار تبلغ 1 أمبير لكل جرام. ويمثل هذا تحسناً كبيراً مقارنة بالمادة غير المطعمة، التي عانت للوصول إلى مستويات مماثلة. كما لاحظ الفريق أن المادة احتفظت بنسبة 91 بالمائة من سعتها بعد دورات طويلة الأمد، مما يشير إلى أن استراتيجية التطعيم المزدوج قد نجحت في تقوية المادة ضد التآكل الناتج عن عمليات الشحن والتفريغ المتكررة.

ولمعرفة كيفية أداء هذه المادة في جهاز واقعي، قام العلماء بتجميع مكثف فائق غير متماثل، عبر الجمع بين الكاثود الجديد الشبيه بالزهور وآنيود أنابيب الكربون النانوية المحب للماء. كانت النتائج واعدة؛ فبعد 10,000 دورة شحن وتفريغ، احتفظ الجهاز بنسبة 85 بالمائة من سعته الأولية، مما أظهر متانة ملحوظة. كما حقق الجهاز كثافة طاقة بلغت 12.5 واط-ساعة لكل كيلوغرام وكثافة قدرة بلغت 536 واط لكل كيلوغرام. تشير هذه الأرقام إلى جهاز يمكنه تخزين كمية محترمة من الطاقة مع القدرة على تقديمها بسرعة في الوقت نفسه. ومع ذلك، فإن الجانب الأكثر إثارة للاهتمام في الدراسة كان استكشاف "التآزر الكهروضوئي". فقد اكتشف الباحثون أنه عند تعريض الجهاز للضوء أثناء شحنه، يتحسن الأداء. حيث ساعدت طاقة الضوء في توليد شحنة كهربائية إضافية داخل المادة، مما عزز سعة التخزين فعلياً. علاوة على ذلك، أظهر الجهاز استقراراً أفضل في وضع الشحن المزدوج هذا، حيث احتفظ بنسبة أعلى من سعته بمرور الوقت.

تقدم الدراسة تفسيراً واضحاً لسبب عمل هذا المزيج بشكل جيد للغاية. إن إضافة السيريوم والكوبالت لم تغير التركيب الكيميائي فحسب، بل غيرت البنية الداخلية لفيريت الزنك. وجد الباحثون أن التطعيم أدى إلى خلق عدد كبير من فجوات الأكسجين، وهي نقاط مفقودة صغيرة في الشبكة البلورية حيث يجب أن توجد ذرات الأكسجين. تعمل هذه الفجوات كمواقع نشطة حيث يمكن للتفاعلات الكيميائية أن تحدث بسهولة أكبر، كما تساعد الإلكترونات على الحركة عبر المادة بشكل أسرع. ويضمن الشكل الشبيه بالزهور أن تكون هذه المواقع النشطة متاحة للإلكتروليت، بينما توفر أنابيب الكربون النانوية طريقاً سريعاً لحركة الإلكترونات. وعندما يصطدم الضوء بالمادة، فإنه يحفز الإلكترونات، مما يخلق تدفقاً للشحنة يدعم التيار الكهربائي. هذا التآزر بين بنية المادة، وتركيبها الكيميائي، ومصدر الضوء الخارجي يخلق نظاماً أكثر كفاءة من مجموع أجزائه. ويشير هذا العمل إلى أنه من خلال الهندسة الدقيقة للبنية المجهرية والتركيب لمواد الأقطاب الكهربائية، يمكن التغلب على القيود التقليدية للمكثفات الفائقة، مما يمهد الطريق لأجهزة يمكنها تخزين المزيد من الطاقة، والشحن بشكل أسرع، والاستمرار لفترة أطول.