Efficient oxygen evolution reaction of FeCoNiWx medium entropy alloy film electrodes for water splitting

إن العالم يتوق إلى الطاقة النظيفة، وأحد أكثر الطرق واعدة للحصول عليها هو تقسيم الماء إلى هيدروجين وأكسجين باستخدام الكهرباء. هذه العملية، المعروفة باسم تقسيم الماء، يمكنها تحويل الطاقة المتجددة من الشمس أو الرياح إلى وقود يحترق دون انبعاثات كربونية. ومع ذلك، فإن العملية تواجه عقبة مستعصية: إن صنع الأكسجين من الماء عملية بطيئة وصعبة؛ فهي تتطلب دفعة كبيرة من الطاقة، تُعرف باسم "الجهد الزائد" (overpotential)، لبدء التفاعل. ولجعل هذه التكنولوجيا عملية، يحتاج العلماء إلى مواد يمكنها العمل كمحفزات فعالة، تسرع التفاعل دون إهدار الطاقة. ولعقود من الزمن، كانت أفضل المواد أداءً مصنوعة من معادن نادرة وباهظة الثمن مثل الروثينيوم والإريديوم. ويتمثل التحدي الذي يواجه العلم الحديث في إيجاد بديل رخيص، وفير، وفعال بنفس القدر، ويفضل أن يكون مصنوعاً من معادن شائعة مثل الحديد والكوبالت والنيكل.

لقد اتخذ فريق من الباحثين في جامعة بهيانغ وجامعة شينيانغ نورمال خطوة نحو حل هذه المشكلة من خلال هندسة نوع جديد من الأفلام المعدنية الرقيقة. لقد ركزوا على فئة من المواد تسمى "سبائك الاعتدال الإنتروبي" (medium entropy alloys)، وهي مزيج من عدة معادن تخلق بيئات محلية فريدة للتفاعلات الكيميائية. وبينما بحثت الدراسات السابقة في خلط أربعة أو خمسة معادن معاً، قرر هذا الفريق اختبار مزيج محدد من الحديد والكوبالت والنيكل، ثم إضافة مكون رابع بعناية: التنجستن. ومن خلال تغيير كمية التنجستن في المزيج، هدفوا إلى إيجاد "النقطة المثالية" حيث تصبح المادة الأكثر كفاءة في توليد الأكسجين. والنتيجة هي فيلم لا يؤدي أداءً أفضل من أسلافه فحسب، بل يكشف أيضاً كيف يمكن لإضافة عنصر واحد أن تغير بشكل جذري طريقة حركة الإلكترونات وتفاعلها أثناء التفاعل.

قام الباحثون بإنشاء موادهم باستخدام تقنية تسمى "الترسيب بالرش المغناطيسي" (magnetron sputtering)، والتي تتضمن قذف مادة الهدف بالأيونات في فراغ لترسيب طبقة رقيقة ومنتظمة على ركيزة من رغوة النيكل الإسفنجية. بدأوا بفيلم أساس من الحديد والكوبالت والنيكل، ثم صنعوا سلسلة من العينات عن طريق إضافة أعداد مختلفة من أهداف التنجستن إلى عملية الرش. سمح لهم ذلك بإنتاج أفلام تحتوي على كميات متفاوتة من التنجستن، بدءاً من عدم وجوده تماماً وصولاً إلى تركيز عالٍ جداً. وبمجرد صنع الأفلام، أخضعوها لعملية اختبار صارمة في محلول من هيدروكسيد البوتاسيوم، وهو سائل قلوي شائع يُستخدم لتسهيل هذه التفاعلات. ولضمان استقرار المواد وجاهزيتها للقياس، قاموا بتمرير التيار الكهربائي عبر الأفلام عدة مرات، وهي عملية تعمل فعلياً على "إعادة بناء" سطح المحفز، محولة إياه من فيلم أملس إلى هيكل مزخرف يشبه الزهرة ومغطى بجسيمات نانوية دقيقة.

أظهرت النتائج نمطاً واضحاً: كمية التنجستن كانت ذات أهمية قصوى. قاس الفريق مقدار الجهد الإضافي المطلوب لدفع التفاعل عند سرعة معينة. تطلبت العينة التي لا تحتوي على تنجستن دفعة طاقة عالية نسبياً. ومع إضافة المزيد من التنجستن، انخفضت الطاقة المطلوبة تدريجياً، لتصل إلى أدنى نقطة لها مع تركيبة محددة حيث كانت نسبة الحديد والكوبالت والنيكل والتنجستن تقريباً واحد إلى واحد إلى واحد إلى خمسة. احتاجت هذه العينة المثالية إلى 264 ميلي فولت فقط من الجهد الإضافي لأداء المهمة، وهو تحسن ملحوظ مقارنة بالنسخة غير المطعمة. ومع ذلك، وجد الباحثون أن إضافة المزيد من التنجستن بعد هذه النقطة أدى إلى تراجع الأداء، مما يشير إلى وجود حد دقيق لكمية هذا العنن التي يمكن أن تكون مفيدة قبل أن تبدأ في سد المواقع النشطة أو تعطيل الهيكل.

ولفهم سبب نجاح هذا المزيج تحديداً، نظر العلماء عن كثب في التغيرات الفيزيائية والكيميائية التي حدثت. فمن خلال المجهر، كشف الفيلم الأفضل أداءً عن سطح مغطى بهياكل دقيقة مسامية تشبه الزهور، وكانت أصغر بكثير وأكثر عدداً من العينات الأخرى. تعني هذه المساحة السطحية المتزايدة وجود أماكن أكثر لارتباط جزيئات الماء والتفاعل. لكن الشكل الفيزيائي كان جزءاً فقط من القصة؛ فمن خلال تحليل حالات طاقة الإلكترونات داخل المادة، اكتشف الفريق أن ذرات التنجستن كانت تعمل كمحفز للمحفز نفسه. فقد سحب التنجستن الإلكترونات بعيداً عن ذرات الحديد ودفعها نحو ذرات النيكل والكوبالت. ساعد هذا التحول في خلق أشكال عالية النشاط من الحديد، وهي ممتازة في دفع التفاعل. علاوة على ذلك، أدى وجود التنجستن إلى رفع مستوى طاقة إلكترونات ذرات النيكل، مما جعلها ترتبط بفعالية أكبر مع الخطوات المتوسطة للتفاعل، مما سرع العملية برمتها.

كما أكدت الدراسة أن هذه التحسينات لم تكن مجرد تأثير عابر. فعندما اختبر الباحثون العينة الأفضل على مدى فترة طويلة، حافظت على أدائها مع انخفاض طفيف جداً في الكفاءة، مما يثبت أن المادة متينة بما يكفي للاستخدام في العالم الحقيقي. وتشير النتائج إلى أنه من خلال ضبط تكوين هذه السبائك المعدنية بعناية، يمكن للعلماء تصميم مواد أكثر كفاءة بكثير من الخلطات العشوائية المستخدمة غالباً في الماضي. ويسلط هذا العمل الضوء على أن إضافة التنجستن ليست مجرد حشو سلبي، بل هي منظم نشط يعيد تشكيل المشهد الإلكتروني للمحفز. وتوفر هذه الرؤية مساراً واضحاً لتصميم الجيل القادم من أجهزة تقسيم الماء، مما يقربنا من مستقبل يمكن فيه إنتاج وقود الهيدروجين النظيف بكفاءة وبتكلفة معقولة.