Bimetallic cobalt-nickel phosphide composite biomass carbon materials as efficient electrocatalysts for zinc-air batteries

يبحث العالم عن طرق أنظف لتخزين الطاقة، مبتعداً عن الوقود الأحفوري الذي يلوث الهواء ويدفئ الكوكب. ومن بين العديد من التقنيات التي يتم استكشافها، تبرز بطاريات "الزنك-هواء" القابلة لإعادة الشحن كخيار واعد. تعمل هذه الأجهزة مثل هجين بين البطارية التقليدية والخلية الوقودية؛ فهي تستخدم صفيحة معدنية من الزنك كجانب واحد، وتسحب الأكسجين من الهواء للجانب الآخر، مما يولد الكهرباء من خلال تفاعل كيميائي. إن الطاقة التي يمكنها تخزينها عالية جداً من الناحية النظرية، ولأنها تستخدم سوائل مائية بدلاً من المواد الكيميائية القابلة للاشتعال، فهي آمنة بطبيعتها ومصنوعة من مواد رخيصة ووفيرة. ومع ذلك، فإن عقبة رئيسية حالت دون تحولها إلى مصدر طاقة سائد، وهي أن التفاعلات الكيميائية التي تحدث داخل البطارية بطيئة للغاية. وتحديداً، فإن العمليات التي تستهلك الأكسجين لإنتاج الكهرباء والعملية العكسية التي تطلق الأكسجين لإعادة شحن البطارية تعاني لمواكبة الطلب. ولحل هذه المشكلة، يحتاج العلماء إلى مواد خاصة تسمى المحفزات (Catalysts) التي يمكنها تسريع هذه التفاعلات. وأفضل المحفزات المتاحة حالياً مصنوعة من معادن نادرة وباهظة الثمن مثل البلاتين، وهو معدن نادر ويكلف الكثير للاستخدام على نطاق واسع.

لقد طور فريق من الباحثين من جامعات في الصين نهجاً جديداً لحل هذه المشكلة من خلال ابتكار محفز فعال ومنخفض التكلفة في آن واحد. فبدلاً من الاعتماد على المعادن النادرة، قاموا بدمج معدنين انتقاليين شائعين، وهما الكوبالت والنيكل، مع شكل من أشكال الكربون المستمد من مادة طبيعية قابلة للتحلل الحيوي تسمى "الشيتوزان". يأتي الشيتوزان من قشور القشريات، وهي منتج ثانوي من النفايات غالباً ما يتم التخلص منه. قام الباحثون بمعالجة هذه النفايات وتحويلها إلى مادة كربونية مسامية، ثم نموا عليها هياكل دقيقة من "فوسفيد الكوبالت والنيكل". والفوسفيد هو مركب ترتبط فيه ذرات المعدن بالفوسفور، وهي مادة معروفة بقدرتها العالية على توصيل الكهرباء. ومن خلال خلط هذه العناصر معاً، ابتكر الفريق مادة مركبة تعمل كمحفز قوي لكل من تفاعلات استهلاك الأكسجين وإطلاق الأكسجين المطلوبة في البطارية.

اختبر الباحثون مادتهم الجديدة، التي أطلقوا عليها اسم CoNiP@NC، في بيئة مختبرية لمعرفة مدى أدائها مقارنة بالمحفزات باهظة الثمن التي تعتبر المعيار الذهبي. ووجدوا أن المادة الجديدة كانت فعالة بشكل ملحوظ. فعند قياس مدى سهولة بدء التفاعل لاستهلاك الأكسجين، تطلبت جهداً قدره 0.876 فولت، وهو رقم قريب جداً من أداء المحفزات القائمة على البلاتين والمكلفة. وعند قياس مدى جودة إطلاق الأكسجين لإعادة شحن البطارية، احتاجت إلى دفعة إضافية قدرها 503 ميلي فولت فقط، وهو أفضل من المواد المرجعية التي تمت مقارنتها بها. وببساء العبارة، استطاع المحفز الجديد دفع التفاعلات الكيميائية اللازمة بهدر أقل للطاقة مقارنة بالخيارات التقليدية المكلفة. كما اكتشف الفريق أن الجمع المحدد بين الكوبالت والنيكل كان أمراً حاسماً؛ فعندما اختبروا مواد مماثلة باستخدام معادن أخرى مثل المنجنيز أو الحديد بدلاً من النيكل، لم يكن الأداء بنفس الجودة. بدا أن ذرات النيكل تغير البيئة الإلكترونية للكوبالت، مما يجعل المواقع النشطة على السطح أكثر فاعلية في أداء مهمتها.

ولفهم سبب نجاح هذا المزيج، استخدم الباحثون محاكاة حاسوبية قوية للنظر في سلوك الذرات على مستوى مجهري. وأظهرت هذه الحسابات أن وجود النيكل خفض حاجز الطاقة للتفاعلات الكيميائية، مما جعل العملية أكثر سهولة. كما كشفت عمليات المحاكاة أن الكربون المدعم بالنيتروجين لعب دوراً حيوياً؛ فلم تكن المادة الكربونية مجرد حامل سلبي للجزيئات المعدنية، بل وفرت مواقع نشطة خاصة بها للتفاعل وساعدت في تثبيت الهياكل المعدنية حتى لا تنهار بمرور الوقت. كما سمحت الطبيعة المسامية للكربون، الناتجة عن الشيتوزان، بتدفق الغازات والسوائل بسهء، مما يضمن بقاء المواقع النشطة متاحة دائماً. هذا التآزر بين الجسيمات المعدنية ودعم الكربون خلق نظاماً مستقراً وعالي النشاط.

كان الاختبار النهائي لهذا المحفز الجديد هو بناء بطارية "زنك-هواء" عاملة لمعرفة مدى صمودها. قام الباحثون بتجميع بطارية باستخدام مادتهم الجديدة كقطب هوائي، وصفيحة زنك كالطرف الآخر. وقاموا بتشغيل البطارية عبر دورات متكررة من الشحن والتفريغ عند تيار ثابت. استمرت البطارية التي تستخدم المحفز الجديد لمدة 240 ساعة قبل ظهور علامات التآكل الكبيرة. وفي المقابل، صمدت بطارية التحكم المبنية من خليط قياسي من البلاتين وأكسيد معدني آخر مكلف لمدة 110 ساعة فقط تحت نفس الظروف. أثبتت هذه النتيجة أن المادة الجديدة الأرخص ثمنًا لم تكن أكثر كفاءة في دفع التفاعلات فحسب، بل كانت أيضاً أكثر متانة بمرور الوقت. فقد حافظت البطارية على جهد ثابت لفترة أطول بكثير، مما يشير إلى أن المحفز لم يتدهور بسرعة مثل المواد التقليدية.

يكمن نجاح هذا العمل في التكامل الذكي لمختلف المكونات. فلم يكتفِ الباحثون بمجرد خلط المواد معاً، بل هندسوا نظاماً يعمل فيه الكربون المشتق من الكتلة الحيوية، والكوبالت، والنيكل في تناغم. فقد وفر الكربون إطاراً موصلاً ومسامياً يعرض المواقع المعدنية للإلكتروليت، بينما قدم الفوسفيد ثنائي المعدن الخصائص الكيميائية المحددة اللازمة لتسريع التفاعلات. كما أن استخدام الشيتوزان كنقطة انطلاق عالج أحد المخاوف البيئية، حيث تم تحويل منتج من النفايات إلى مكون عالي التقنية. ورغم أن المحفز الجديد لم يطابق جهد الدائرة المفتوحة للبطارية القائمة على البلاتيم تماماً، إلا أن عمر دورته المتفوق وتكلفته المنخفضة تجعل منه بديلاً مقنعاً لتخزين الطاقة في المستقبل. وتشير الدراسة إلى أنه من خلال ضبط البنية الإلكترونية للمعادن الشائعة ودعمها بمواد كربونية مستدامة، يمكن إنشاء بطاريات عالية الأداء دون الاعتماد على موارد نادرة. ويقدم هذا النهج مساراً عملياً لجعل بطاريات "الزنك-هواء" خياراً قابلاً للتطبيق لتخزين الطاقة المتجددة على نطاق واسع.