Interface-Engineered Ru/WS2/g-C3N4 Mott–Schottky Heterostructure for Efficient OER and Rechargeable Zn–Air Batteries

يبحث العالم عن طرق أكثر نظافة لتخزين وإطلاق الطاقة، مبتعداً عن الوقود الأحفوري نحو أنظمة يمكنها تشغيل كل شيء، من السيارات الكهربائية إلى مدن بأكملها. ويتضمن أحد المسارات الواعدة بطاريات "المعدن-هواء"، والتي تشبه خلايا الوقود القابلة لإعادة الشحن الضخمة التي تسحب الأكسجين من الهواء لتوليد الكهرباء. ومع ذلك، تواجه هذه البطاريات عقبة مستعصية: التفاعلات الكيميائية التي تعيد شحنها بطيئة وغير فعالة. وتحديداً، فإن العملية التي تطلق الأكسجين أثناء الشحن، والمعروفة باسم تفاعل تطور الأكسجين، تتطلب الكثير من الطاقة الإضافية للبدء. هذا عدم الكفاءة يهدر الطاقة ويولد الحرارة. ولإصلاح ذلك، يبحث العلماء عن مواد خاصة تسمى المحفزات التي يمكنها تسريع التفاعل دون أن تُستهلك. ولعقود من الزمن، كانت أفضل المحفزات مصنوعة من معادن نادرة وباهظة الثمن مثل البلاتين والإريديوم. لكن هذه المواد نادرة وغالباً ما تتحلل بسرعة، مما يجعلها غير عملية للاستخدام واسع النطاق. ومن ثم، فإن التحدي يكمن في إيجاد مادة وفيرة، ومتينة، وقادرة على التعامل مع البيئة الكيميائية القاسية داخل البطارية مع توجيه الإلكترونات بدقة.

في دراسة حديثة، عالج الباحثون هذه المشكلة من خلال بناء نوع جديد من المحفزات يجمع بين ثلاث مواد متميزة في هيكل واحد متكامل بإحكام. لقد أخذوا الروثينيوم، وهو معدن أرخص وأكثر وفرة من البلاتين، ودمجوه مع ثنائي كبريتيد التنغستن، وهو مركب مكون من التنغستن والكبريت يعمل كأشباه موصلات. ثم تم دمج هذين المكونين داخل إطار من نتريد الكربون الجرافيتي، وهي مادة مكونة من الكربون والنيتروجين وتشتهر باستقرارها وقدرتها على توصيل الإلكترونات. كان الهدف هو إنشاء "بنية متغايرة" (heterostructure)، وهو مصطلح يصف مركباً تلتقي فيه مواد مختلفة عند حدود مشتركة. وعند هذه الحدود، هندس الباحثون تفاعلاً إلكترونياً محدداً، يشبه كيفية توجيه صمام أحادي الاتجاه لحركة المرور، لضمان تدفق الإلكترونات بسلاسة وكفاءة نحو موقع التفاعل. ومن خلال ترتيب هذه المكونات الثلاثة بعناقة، نجحوا في ابتكار محفز لا يسرع فقط تفاعل إطلاق الأكسجين، بل يظل مستقراً لفترات طويلة من الاستخدام.

بدأ الباحثون بتصنيع كل مكون على حدة. فقد صنعوا إطار نتريد الكربون من خلال عملية تسخين، وشكلوا ثنائي كيد التنغستن باستخدام طريقة المحلول الكيميائي. ثم أدخلوا جزيئات الروثينيوم على ثنائي كبريتيد التنغستن وخلطوا كل شيء مع نتريد الكربون. وكانت النتيجة مادة معقدة متعددة الطبقات، حيث تم توزيع جزيئات الروثينيوم بالتساوي وتثبيتها بقوة بواسطة المكونين الآخرين. وعندما فحصوا المادة تحت مجاهر قوية، رأوا أن الطبقات قد اندمجت معاً، مما خلق سطحاً خشناً وملمساً يحتوي على العديد من الشقوق الصغيرة. هذا الملمس أمر بالغ الأهمية لأنه يوفر مساحة سطح هائلة لحدوث التفاعلات الكيميائية. وقد أكد التحليل أن ذرات الروثينيوم والتنغستن والكبريت والكربون والنيتروجين كانت جميعها موجودة وتتفاعل بقوة مع بعضها البعض، بدلاً من مجرد الجلوس جنباً إلى جنب.

وعند اختبار قدرتها على دفع تفاعل تطور الأكسجين، أدى المحفز الجديد أداءً ملحوظاً. ففي اختبار مخبري قياسي، تطلبت المادة كمية منخفضة جداً من الجهد الإضافي، المعروف باسم "الجهد الزائد" (overpotential)، لبدء إنتاج الأكسجين. وتحديداً، احتاجت إلى 209 ميلي فولت فقط للوصول إلى كثافة تيار مفيدة، وهو رقم أقل بكثير مما تتطلبه المكونات الفردية أو حتى بعض المحفزات التجارية باهظة الثمن. كما كان معدل سرعة زيادة التفاعل مع تطبيق المزيد من الجهد أسرع بكثير، مما يشير إلى أن الإلكترونات كانت تتحرك عبر المادة بأقل قدر من المقاومة. وقاس الباحثون المقاومة الكهربائية عند سطح المحفز ووجدوا أنها أقل بكثير من المواد الأخرى التي تم اختبارها، مما يؤكد أن الواجهة بين المكونات الثلاثة تسهل النقل السريع للإلكترونات. علاوة على ذلك، أثبت المحفز متانته، حيث حافظ على أدائه لأكثر من 100 ساعة من التشغيل المستمر دون تدهور ملحوظ، وهي علامة على أن الهيكل كان يصمد أمام الظروف الكيميائية القاسية.

ولمعرفة ما إذا كانت هذه المادة يمكن أن تعمل في جهاز حقيقي، قام الفريق ببناء بطارية "زنك-هواء" قابلة لإعادة الشحن باستخدام المحفز الجديد كقطب هوائي. بدأت البطارية بجهد قدره 1.48 فولت، وهو مؤشر قوي على قدرتها على توليد الطاقة. وأثناء التفريغ، قدمت البطارية سعة نوعية بلغت 811 مللي أمبير-ساعة لكل جرام من الزنك، وهو رقم قريب جداً من الحد الأقصى النظري لهذا النوع من البطاريات. وهذا يعني أن المادة كانت قادرة على استخدام وقود الزنك بكفاءة. كما أنتجت البطارية كثافة طاقة ذروة بلغت 161 مللي واط لكل سنتيمتر مربع، مما يوضح قدرتها على تقديم الطاقة بسرعة عند الحاجة. ولعل الأهم من ذلك هو أن البطارية كانت قادرة على الشحن والتفريغ بشكل متكرد لمدة 200 ساعة دون فشل، مما أظهر أن المحفز يمكنه تحمل إجهاد الدورات طويلة الأمد. تشير هذه النتائج إلى أن مزيج المواد نجح في إنشاء مسار مستقر وفعال للتفاعلات الكيميائية المطلوبة لإعادة شحن البطارية.

ولفهم سبب نجاح هذا المزيج تحديداً، استخدم الباحثون عمليات محاكاة حاسوبية لنمذجة سلوك الذرات عند السطح. وكشفت عمليات المحاكاة أن ذرات الروثينيوم عملت كمواقع أساسية حيث تتشكل جزيئات الأكسجين. ومع ذلك، لعبت المواد المحيطة دوراً حاسماً في ضبط الخصائص الإلكترونية لذرات الروثينيوم هذه. فقد عمل إطار نتريد الكربون وطبقة ثنائي كبريد التنغستن معاً لتغيير الكثافة الإلكترونية حول الروثينيوم، مما جعل من السهل ارتباط وانفصال الوسائط الأكسجينية أثناء التفاعل. هذا الضبط الإلكتروني خفض حاجز الطاقة للخطوة الأبطأ في العملية، مما أزال بفعالية "عنق الزجاجة" الذي يحد عادة من سرعة التفاعل. كما أظهرت عمليات المحاكاة أن الإلكترونات كانت تتدفق بشكل اتجاهي من نتريد الكربون، عبر ثنائي كبريد التنغستن، وصولاً أخيراً إلى الروثينيوم، مما أكد وجود المجال الكهربائي الداخلي المصمم الذي وضعه الباحثون.

تخلص الدراسة إلى أن هذه الواجهة المهندسة هي مفتاح نجاح المادة. فمن خلال الجمع بين معدن، وشبه موصل، وإطار كربوني موصل، أنشأ الباحثون نظاماً يكون فيه الكل أكبر من مجموع أجزائه. يوفر الروثينيوم المواقع النشطة، ويساعد ثنائي كبريد التنغستن في توصيل الإلكترونات، بينما يعمل نتريد الكربون على تثبيت الهيكل مع تسهيل نقل الشحنة. هذا التآزر يسمح للمحفز بالأداء بكفاءة في كل من تفاعل تطور الأكسجين وتفاعل اختزال الأكسجين، مما يجعله محفزاً ثنائي الوظيفة حقيقياً قادراً على التعامل مع كل من الشحن والتفريغ في بطارية المعدن-هواء. وبينما أشار الباحثون إلى أن هناك حاجة لمزيد من التحسينات في الاستقرار طويل الأمد للتطبيقات العملية واسعة النطاق، فإن النتائج تقدم اتجاهاً واضحاً وواعداً لتصميم أنظمة تخزين الطاقة المستقبلية. ويؤكد هذا العمل أنه من خلال التحكم الدقيق في الواجهة بين المواد، يمكن التغلب على قيود المحفزات التقليدية والمضي قدماً نحو مستقبل من الطاقة الفعالة والمستدامة.