Optimization and Electrochemical Evaluation of PVA assisted Electrospun Polyindole Nanofibers for Supercapacitors

إن الجوع العالمي للطاقة ينمو بشكل أسرع من قدرتنا على توليدها بطريقة نظيفة. وبينما تعد المصادر المتجددة مثل الرياح والطاقة الشمسية ضرورية، إلا أنها غالبًا ما تكون غير متوقعة، مما يترك فجوة تحتاج إلى ملء. ولتجسير هذه الفجوة، يعتمد العلماء على أنظمة تخزين الطاقة. المكثفات التقليدية قوية ولكنها بطيئة في الشحن ولا يمكن استخدامها إلا لمرات محدودة قبل أن تتعطل. أما المكثفات الفائقة (Supercapacitors) فتقدم مسارًا مختلفًا: إذ يمكنها الشحن والتفريغ في ثوانٍ وتدوم لمئات الآلاف من الدورات، رغم أنها عادة ما تخزن طاقة إجمالية أقل. ويكمكن مفتاح تحسينها في المواد المستخدمة في بنائها. وتحديدًا، يبحث الباحثون في البوليمرات الموصلة — وهي بلاستيك يمكنه نقل الكهرباء مثل المعادن. هذه المواد مرنة ويمكن هندستها لتخزين قدر كبير من الشحنة، لكنها غالبًا ما تعاني من مشاكل في الاستقرار ومساحة السطح عندما تُصنع في أشكال صلبة قياسية. ولحل هذه المشكلة، يحاول العلماء إعادة تشكيل هذه البوليمرات إلى هياكل دقيقة تشبه الخيوط لتكشف عن مساحة سطح أكبر للمحلول الإلكتروليتي، مما يسمح بتخزين طاقة أسرع وأكثر كفاءة.

في دراسة حديثة، تصدى فريق من الباحثين من الهند لهذا التحدي عبر ابتكار نوع جديد من الأقطاب الكهربائية باستخدام بوليمر يسمى "بولي إندول" (polyindole). والبولي إندول مادة معروفة باستقرارها وقدرتها على الخضوع لتفاعلات كيميائية تخزن الطاقة، لكن التعامل معها صعب للغاية لأنها لا تذوب بسهء وتكون سلاسل صلبة. وللتغلب على هذه العقبات الفيزيائية، استخدم الباحثون تقنية تسمى "الغزل الكهربائي" (electrospinning). تخيل آلة تطلق تيارًا من البوليمر السائل عبر مجال كهربائي عالي الجهد، مما يؤدي إلى تمديده إلى خيوط دقيقة للغاية أثناء هبوطه على جامع. تتطلب هذه العملية عادةً وجود بوليمر "حامل" للمساعدة في تدفق المادة الصعبة بسلاسة. وقد خلط الفريق البولي إندول مع كحول البولي فينيل (polyvinyl alcohol)، وهو بلاستيك شائع ومستقر، بنسب مختلفة لمعرفة أي مزيج سيخلق أفضل الخيوط. ثم قاموا بغزل هذه المخاليط في حصيرة غير منسوجة من الألياف النانوية، وهي ألياف دقيقة جدًا تُقاس بالنانومتر، وهو ما يعادل تقريبًا عرض فيروس واحد.

أنشأ الباحثون ثلاث نسخ مختلفة من حصائر الألياف هذه، كل منها يحتوي على توازن مختلف قليلاً بين البلاستيك الحامل والبولي إندول النشط. ثم فحصوا التركيبة الفيزيائية والكيميائية لابتكاراتهم. وباستخدام حيود الأشعة السينية، أكدوا أن البولي إندول قد تشكل بشكل صحيح، حيث ظهر كبنية غير منظمة وعشوائية (amorphous) بدلاً من بلورة صلبة. وهذا الافتقار إلى النظام الصلب هو في الواقع أمر مفيد، لأنه يسمح للأيونات بالتحرك عبر المادة بحرية أكبر. كما استخدموا مطيافية الأشعة تحت الحمراء للتحقق من الروابط الكيميائية، مما أثبت أن البنية الجزيئية للبولي إندول ظلت سليمة وأن عملية البلمرة كانت ناجحة. وعندما نظروا إلى الألياف تحت مجهر إلكتروني قوي، رأوا ما كانوا يأملون رؤيته: شبكة موحدة من الخيوط الناعمة والخالية من الحبيبات. تراوحت سماكة الألياف بين 200 و300 نانومتر. هذا الحجم المحدد والترتيب العشوائي الذي يشبه الشبكة خلق مساحة سطح شاسعة، وهو أمر بالغ الأهمية للمكثف الفائق لأنه يوفر مساحة أكبر لحدوث التفاعلات الكيميائية التي تخزن الطاقة.

ولاختبار مدى فعالية هذه الألياف الجديدة كأجهزة لتخزين الطاقة، قام الفريق ببناء أقطاب كهربائية صغيرة وغمرها في محلول إلكتروليتي سائل. وأجروا سلسلة من الاختبارات لقياس كمية الشحنة التي يمكن للمادة حملها وسرعة تفريغها. وأظهرت النتائج أن التوازن بين البلاستيك الحامل والبولي إندول كان حاسمًا. فقد تفوق مزيج محدد، والذي احتوى على كمية متوسطة من البولي إندول، على غيره بشكل ملحوظ. استطاع هذا القطب الكهربائي الأفضل أداءً تخزين سعة نوعية بلغت 387 فاراد لكل جرام، وهو مقياس لكمية الشحنة الكهربائية التي يمكن للمادة حملها بالنسبة لوزنها. وحتى عندما اختبر الباحثون الجهاز بسرعات أعلى، لمحاكاة عملية شحن أو تفريغ سريع، حافظت المادة على جزء كبير من سعتها. أما المزيجان الآخران، اللذان احتويا إما على الكثير أو القليل من البوليمر النشط، فلم يقدما أداءً جيدًا. والمزيج الذي احتوى على أكبر قدر من البولي إندول كان أداؤه أسوأ في الواقع، ويرجع ذلك على الأرجوة إلى أن الألياف أصبحت سميكة جدًا وتكتلت معًا، مما أعاق تدفق الأيونات.

كما تناولت الدراسة مدى سهولة انتقال الكهرباء عبر المادة وحركة الأيونات داخل شبكة الألياف. وكشفت الاختبارات أن المقاومة لتدفق الكهرباء كانت منخفضة، وكان بإمكان الأيونات التغلغل بعمق في حصيرة الألياف المسامية دون مشقة تذكر. وهذا الجمع بين مساحة السطح عالية الإتاحة وحركة الأيونات الفعالة يفسر سبب نجاح المزيج الأمثل بهذا الشكل الكبير. ووجد الباحثون أن مجرد تحويل المادة إلى هيكل ألياف نانوية، بدلاً من تركها في شكل مسحوق أو كتلة صلبة، قد حسن بشكل كبير من قدرتها على تخزين الطاقة وتحريرها. وبينما ركزت الدراسة على الأداء المختبري لهذه الألياف المحددة، فإن النتائج تشير إلى أن ضبط نسبة المواد بعناية أثناء عملية الغزل هو وسيلة قوية لتعزيز المكثفات الفائقة. ويوضح هذا العمل أنه من خلال حل التحديات الفيزيائية المتمثلة في تحويل هذه البوليمرات إلى خيوط دقيقة، من الممكن إنشاء مواد أقطاب كهربائية مستقرة وعالية الكفاءة في آن واحد، مما يقدم اتجاهًا واعدًا للجيل القادم من أجهزة تخزين الطاقة سريعة الشحن.