Sustainable synthesis of Na2FeSiO4 using rice husk-derived silica: effect of calcination temperature on phase formation and electrical properties

تعتمد البطاريات التي تشغل هواتفنا وسياراتنا على مبدأ بسيط ولكنه متطلب: يجب أن تكون الأيونات، وهي ذرات مشحونة صغيرة، قادرة على التحرك بحرية ذهابًا وإيابًا بين قطبين كهربائيين. وفي الجيل القادم من هذه الأجهزة، يتطلع العلماء إلى بطاريات أيونات الصوديوم كبديل أرخص وأكثر وفرة لبطاريات أيونات الليثيوم التي تهيمن على السوق اليوم. ولكي تعمل هذه البطاريات بشكل جيد، تحتاج المادة الموجودة بداخلها إلى إطار متين يمكنه احتواء أيونات الصوديوم دون أن يتفكك، مع السماح للكهرباء بالتدفق من خلاله بسهولة أيضًا. ومن المرشحين الواعدين لهذا الدور مركب يسمى "أورثوسيليكات صوديوم الحديد". ويتكون هذا المركب من السيليكون والحديد والصوديوم والأكسجين مرتبة في بنية ثلاثية الأبعاد محددة. ومع ذلك، فإن تصنيع هذه المادة تطلب تقليديًا مكونات كيميائية باهظة الثمن وعمليات تستهلك الكثير من الطاقة، مما يحد من مدى إمكانية استخدامها على نطاق واسع.

لقد وجد فريق من الباحثين في جامعة لامبونج في إندونيسيا طريقة لصنع هذه المادة باستخدام منتج شائع من النفايات الزراعية: قشور الأرز. وقشور الأرز هي القشور الخارجية الصلبة لحبات الأرز، والتي عادة ما يتم التخلص منها بعد الطحن. وتتميز هذه القشور بغناها بالسيليكا، وهي نفس المادة الموجودة في الرمل والزجاج. وقد تساءل الباحثون عما إذا كان بإمكانهم تحويل هذه النفايات إلى مادة أولية عالية الجودة لمادة البطارية، وما إذا كان العلاج الحراري المستخدم لإنتاج المنتج النهائي سيغير خصائصها. وقد قاموا بتصنيع المادة باستخدام طريقة تمزج سيليكا قشور الأرز مع مواد كيميائية أخرى لتكوين هلام (جل)، والذي يتم تجفيفه ثم تسخينه. ومن خلال تسخين المادة إلى درجات حرارة مختلفة، تتراوح من 500 إلى 800 درجة مئوية، راقبوا كيف تغيرت البنية الداخلية للمادة ومدى جودة توصيلها للكهرباء.

بدأت الدراسة باستخراج السيليكا النقية من قشور الأرز. حيث قام الباحثون بغلي القشور في محلول قلوي قوي لإذابة السيليكا، ثم أضافوا حمضًا لجعلها تتصلب على شكل هلام. وبعد تجفيف هذا الهلام وطحنه إلى مسحوق ناعم، خلطوه مع هيدروكسيد الصوديوم ونترات الحديد وحمض الستريك. وتم تسخين هذا الخليط لتبخير الماء، مما ترك وراءه مادة أولية صلبة. ثم وُضعت هذه المادة الأولية في فرن وسُخنت لمدة عشر ساعات عند أربع درجات حرارة مختلفة: 500، 600، 700، و800 درجة مئوية. وكان الهدف هو معرفة كيف سيحول الحرارة الخليط غير المنظم إلى البنية البلورية المنتظمة المطلوبة لمهبط البطارية.

وعندما فحص الباحثون العينات، وجدوا أن أورثوسيليكات صوديوم الحديد المطلوبة قد تشكلت بنجاح عند جميع درجات الحرارة، ولكن جودة البلورات تحسنت مع زيادة الحرارة. فعند أدنى درجة حرارة وهي 500 درجة مئوية، كانت المادة تحتوي على المكونات الصحيحة ولكنها كانت غير منظمة نوعًا ما، مع وجود العديد من الفجوات الصغيرة والأشكال غير المنتظمة. ومع ارتفاع درجة الحرارة إلى 800 درجة مئوية، أعادت الذرات ترتيب نفسها في شبكة بلورية أكثر إحكامًا ومثالية. وأصبحت الجسيمات أكثر تماسكًا، وأصبحت البنية الداخلية أكثر تجانسًا. كما تسببت هذه العملية في فقدان المادة لجزيئات الماء العالقة على سطحها، وهو تغيير أكد أن الحرارة كانت تطرد الشوائب وتسمح للبلورة بالنمو.

وإلى جانب هذه التغييرات الهيكلية، تغيرت الخصائص الكهربائية للمادة بطريقة مفاجئة. فقد قاس الباحثون مدى سهولة مرور الكهرباء عبر المادة ووجدوا أن العينة التي سُخنت إلى 500 درجة مئوية كانت توصل الكهرباء بشكل أفضل من العينات التي سُخنت إلى درجات حرارة أعلى. وكانت العينة الأكثر تبلورًا، والتي سُخنت إلى 800 درجة، هي الأسوأ في التوصيل في الواقع. ويبدو هذا أمرًا غير منطقي، إذ قد يتوقع المرء أن البلورة الأكثر مثالية ستوصل الكهرباء بشكل أفضل. ومع ذلك، أوضح الباحثون أن العينة ذات درجة الحرارة المنخفضة كانت لا تزال تحتوي على العديد من العيوب الهيكلية وترتيب أقل كثافة للجسيمات. وقد خلقت هذه العيوب مسارات ساعدت الشحنة على التحرك عبر المادة. في المقابل، كانت العينة ذات درجة الحرارة العالية تمتلك بنية أكثر مثالية، لكن هذه المثالية جاءت مع فجوة طاقة أوسع بين حالات الإلكترونات، مما جعل تدفق الكهرباء أصعب.

كما بحثت الدراسة في الطاقة المطلوبة لإثارة الإلكترونات داخل المادة، والمعروفة بالفجوة البصرية للنطاق. وقد زادت هذه القيمة باستمرار مع ارتفاع درجة الحرارة، حيث انتقلت من 2.38 إلكترون فولت عند 500 درجة إلى 2.87 إلكترون فولت عند 800 درجة. ويتماشى هذا الارتفاع مع التضييق الهيكلي الملحوظ في البلورات. وأشار الباحثون إلى أنه بينما كانت عينات درجات الحرارة العالية أكثر مثالية من الناحية الهيكلية، إلا أنها كانت أقل فعالية في توصيل الكهرباء. وقد وُجد أن أفضل توازن للتوصيل الكهربائي كان عند درجة الحرارة المنخفضة، حيث كانت المادة لا تزال غير منظمة نوعًا ما. ويشير هذا إلى أنه بالنسبة لهذه المادة تحديدًا، يمكن أن يكون وجود قدر من عدم الانتظام الهيكلي مفيدًا في الواقع لنقل الشحنة.

في النهاية، يثبت هذا البحث أن قشور الأرز تعد مصدرًا قابلًا للتطبيق ومستدامًا لصنع أورثوسيليكات صوديوم الحديد. فمن خلال استخدام هذه النفايات الزراعية، تتجنب العملية التكاليف العالية والأثر البيئي للمواد الأولية الكيميائية التقليدية. وتظهر الدراسة أنه بينما تخلق درجات الحرارة المرتفعة بنية بلورية أكثر نظامًا، إلا أنها لا تحسن بالضرورة الأداء الكهربائي المطلوب للبطارية. بدلاً من ذلك، تعتمد الخصائص المثالية على التوازن الدقيق بين النظام البلوري ووجود السمات الهيكلية التي تساعد على نقل الشحنة. يوفر هذا العمل مسارًا واضحًا لتحويل منتج نفايات شائع إلى مكون وظيفي لتخزين الطاقة في المستقبل، مما يثبت أن الاستدامة والأداء يمكن أن يسيران جنبًا إلى جنب في علم المواد.