Green Production of Hookah Tobacco Waste-Derived Porous Carbon and Its Capacitive Performance

في الزوايا الهادئة لتخزين الطاقة، يواجه العلماء تحديًا مستمرًا: كيفية بناء أجهزة يمكنها إطلاق الطاقة بسرعة وتدوم لآلاف الدورات دون أن تتلف. تكمن الإجابة غالبًا في المكثفات الفائقة (supercapacitors)، وهي نوع من الأجهزة الشبيهة بالبطاريات التي تخزن الطاقة على سطح المادة بدلاً من عمق هيكلها الكيميائي. ولكي تعمل هذه الأجهزة بشكل جيد، يجب أن تكون المادة الموجودة بداخلها مثل الإسفنج، ولكن إسفنج مصنوع من الكربون، مع شبكة واسعة من الثقوب الصغيرة. تسمح هذه الثقوب للجسيمات المشحونة من محلول سائل بالاندفاع للداخل والخارج، مما يخلق شحنة كهربائية. وكلما زادت مساحة السطح المتاحة لتلامس هذه الجسيمات، زادت الطاقة التي يمكن للجهاز استيعابها. وبينما بحث العديد من الباحثين في الغابات أو المزارع عن المواد الخام لصنع هذه الإسفنجات الكربونية، يوجه دراسة جديدة اهتمامها إلى نوع مختلف من النفايات: بقايا التبغ المتروكة من النراجيل (الأرجيلة).

تستكشف هذه الأبحاث، التي أجراها مراد يلماز في جامعة عثمانية كوركوت أتا في تركيا، طريقة لتحويل هذه النفايات المحددة إلى قطب كهربائي عالي الأداء. وتعد نفايات تبغ النراجيل مشكلة متزايدة، حيث يتم توليد ملايين الأطنان من الأوراق والبقايا المستخدمة عالميًا كل عام. وبدلاً من ترك هذه المادة في مكبات النفايات، تساءل الفريق عما إذا كان يمكن تحويلها إلى شيء مفيد. بدأوا بجمع النفايات من مقهى محلي، ثم غسلها وتجفيفها. تضمنت الخطوة الأولى تسخين المادة في وعاء مغلق مع الماء، وهي عملية تعمل على تفكيك ألياف النبات وتخلق شكلًا أوليًا من الفحم. ثم تم تنظيف هذا الفحم باستخدام الحمض لإزالة المعادن غير المرغوب فيها، مما ترك قاعدة كربونية نقية جاهزة للمرحلة التالية.

كان الجزء الأكثر حسمًا في العملية هو إنشاء الثقوب اللازمة في الكربون. تقليديًا، يستخدم العلماء مواد كيميائية أكالة وقاسية لنحت هذه المسام، والتي يمكن أن تكون خطيرة وصعبة التعامل معها على نطاق واسل. في هذه الدراسة، اختار الباحثون نهجًا أكثر لطفًا؛ حيث خلطوا الفحم مع ثيوسلفات الصوديوم، وهو مادة كيميائية شائعة أقل سمية بكثير من البدائل المعتادة، وسخنوا الخليط إلى درجات حرارة عالية في فرن. ومع ارتفاع درجة الحرارة، تفككت ثيوسلفات الصوديوم وتفاعلت مع الكربون، مما أدى فعليًا إلى "أكل" المادة وترك بنية معقدة تشبه الإسفنج. اختبر الفريق كميات مختلفة من المادة الكيميائية ودرجات حرارة تسخين مختلفة لإيجاد التوازن المثالي.

أظهرت النتائج أن الظروف المستخدمة كانت ذات أهمية قصوى. فقد تم إنتاج المادة الأفضل أداءً عن طريق تسخين الخليط إلى 900 درجة مئوية مع نسبة محددة من المادة الكيميائية المنشطة. هذه العينة، التي أطلق عليها الباحثون اسم HTWB-0.5-900، طورت شبكة منظمة للغاية من المسام تتراوح من الصغيرة جدًا إلى الأكبر حجمًا. وعند قياسها، كشفت هذه المادة عن مساحة سطح بلغت 1018.74 مترًا مربعًا لكل جرام، وهي مساحة شاسعة لتخزين الشحنة الكهربائية. ولتوضيح هذا المقياس، إذا أخذت جرامًا واحدًا من هذه المادة ونشرت جميع أسطحها الداخلية، فستغطي مساحة تعادل تقريبًا شقة صغيرة. هذه المساحة السطحية الضخمة، جنباً إلى جنب مع الحجم المناسب للثقوب، سمحت للأيونات بالتحرك عبر المادة بسهولة.

عندما اختبر الفريق هذا الكربون الجديد في إعداد مكثف فائق، كان أداؤه ممتازًا بشكل استثنائي. ففي اختبار مخبري قياسي باستخدام محلول هيدروكسيد البوتاسيوم، قدمت المادة سعة نوعية بلغت 175 فاراد لكل جرام. يشير هذا الرقم إلى مقدار الشحنة الكهربائية التي يمكن للمادة تخزينها بالنسبة لوزنها، وكان الأعلى بين جميع العينات التي صنعوها. استطاع الجهاز الشحن والتفريغ بسرعة، محافظًا على شكله وكفاءته حتى عند زيادة سرعة الاختبار. ولعل الأمر الأكثر إثارة للإعجاب هو أن المادة أظهرت متانة مذهلة؛ فبعد شحنها وتفريغها 10,000 مرة متتالية، احتفظت بكامل سعتها، دون ظهور أي علامات على التدهور. وهذا يشير إلى أن المادة ليست قوية فحسب، بل هي مصم-مة لتدوم طويلاً.

كما بحثت الدراسة في سبب عمل بعض العينات بشكل أفضل من غيرها. وجد الباحثون أن تسخين المادة إلى درجات حرارة منخفضة، مثل 700 درجة، لم يخلق ما يكفي من بنية المسام الضرورية، مما أدى إلى أداء ضعيف. وبالمثل، فإن استخدام الكثير من المادة الكيميائية المنشطة عند درجة حرارة منخفضة تسبب في تكتل الجسيمات، مما أدى إلى سد المسارات أمام الأيونات. جاء نجاح عينة الـ 900 درجة من مزيج دقيق بين الحرارة والنسبة الكيميائية التي خلقت شبكة نظيفة ومفتوحة ومترابطة. وأكد التحليل أن المادة كانت في الغالب كربونًا غير متبلور (amorphous carbon)، مما يعني أنها تفتقر إلى هيكل بلوري صلب، وهو أمر مفيد في الواقع لهذا التطبيق لأنه يسمح بسطح أكثر مرونة وسهولة في الوصول إليه.

من خلال تحويل منتج نفايات شائع إلى مادة متطورة لتخزين الطاقة، يسلط هذا العمل الضوء على مسار نحو تكنولوجيا أكثر استدامة. تتجنب هذه العملية استخدام المواد الكيميائية الخطرة، وتعتمد على مصدر نفايات متاح بسهء، وتنتج مادة تضاهي أو تتجاوز أداء الكربون المستخلص من الكتلة الحيوية الموجود في الأدبيات العلمية. وتشير النتائج إلى أن مستقبل تخزين الطاقة قد لا يعتمد فقط على اختراعات جديدة ومعقدة، بل على إيجاد طرق أفضل لاستخدام ما نملكه بالفعل، وتحويل بقايا عاداتنا اليومية إلى مصادر طاقة لغدٍ مشرق.