Iridium-Ruthenium Oxide for the Oxygen Evolution Reaction: Correlation between Calcination Temperature–Morphology–Activity Interplay

يُعد إنتاج وقود نظيف من الماء أحد أكثر الطرق واعدةً لتزويد المستقبل بالطاقة، لكن هذه العملية تواجه عقبة مستعصية. فمن أجل شطر الماء إلى هيدروجين وأكسجين، يجب أن تدفع الكهربة تفاعلاً كيميائياً صعباً يُسمى "تفاعل تطور الأكسجين". وتعتبر هذه الخطوة بطيئة وتستهلك الكثير من الطاقة، فهي تعمل مثل بوابة ثقيلة تبطئ النظام بأكمله. وللحفاظ على استمرار العملية بكفاءة، يستخدم العلماء مواد خاصة تسمى "المحفزات" لتسريع الأمور. وبينما تعمل بعض المحفزات بشكل جيد، إلا أنها غالباً ما تذوب أو تتفكك بسرعة في البيئات الحمضية القاسية اللازمة لإنتاج الوقود الصناعي. ويتمثل التحدي المركزي للباحثين الذين يحاولون جعل الهيدروجين الأخضر حقيقة واقعة في إيجاد مادة تتميز بالسرعة وطول العمر في آن واحد.

لقد كان فريق من الباحثين في جامعة نيلسون مانديلا في جنوب أفريقيا يبحث في خليط محدد من أكاسيد الإريديوم والروثينيوم لحل هذه المشكلة. أرادوا فهم كيف يغير أسلوب صنع هذه المواد — وتحديداً مدى حرارة خبزها أثناء عملية الإنشاء — شكلها ومدى كفاءة أدائها. ومن خلال ضبط درجة الحرارة، تمكنوا من التحكم فيما إذا كانت المادة ستظل ذات بنية غير منظمة (عشوائية) أم ستتحول إلى بنية بلورية أكثر تنظيماً. وكان الهدف هو إيجاد التوازن المثالي بين مادة تعمل بسرعة ومادة تظل متماسكة بمرور الوقت.

قام العلماء بإنشاء محفزاتهم باستخدام طريقة تُعرف باسم "صهر آدمز" (Adams fusion)، والتي تتضمن خلط أملاح معدنية مع ملح شائع وتسخين الخليط حتى ينصهر ليصبح صلباً. ثم أخذوا هذه المادة الصلبة وأعادوا تسخينها عند خمس درجات حرارة مختلفة، تراوحت من 350 درجة مئوية حتى 520 درجة مئوية. وبعد كل خطوة تسخين، فحصوا المسحوق الناتج بمجاهر قوية وأجهزة أشعة سينية لمعرفة كيف تغيرت البنية الداخلية وشكل الجسيمات. ووجدوا أن درجات الحرارة المنخفضة أنتجت مادة غير منظمة نوعاً ما ومليئة بالمسام الصغيرة، بينما تسببت درجات الحرارة الأعلى في نمو الجسيمات لتصبح أكبر وتنتظم في أشكال تشبه القضبان ذات هياكل داخلية أكثر وضوحاً.

وعندما اختبروا هذه المواد لمعرفة مدى قدرتها على دفع تفاعل تطور الأكسجين في سائل حمضي، أظهرت النتائج مقايضة واضحة. فقد ثبت أن المحفز الذي خُبز عند 500 درجة مئوية كان الأكثر نشاطاً؛ حيث تطلب أقل قدر من الطاقة الإضافية لبدء التفاعل واستطاع الحفاظ على تدفق عالٍ للتيار. وتكونت هذه المادة من جسيمات يبلغ حجمها حوالي 22 نانومتر وتمتلك مساحة سطح واسعة، مما وفر العديد من المواقع لحدوث التفاعل. ومع ذلك، جاء هذا الأداء العالي بتكلفة؛ فعندما أجرى الباحثون الاختبار لمدة يوم كامل للتحقق من المتانة، بدأت هذه المادة عالية الأداء في فقدان فعاليتها بشكل أسرع من غيرها.

في المقابل، تصرف المحفز الذي خُبز عند أدنى درجة حرارة (350 درجة مئوية) بشكل مختلف. فقد كان أقل نشاطاً في البداية، وتطلب طاقة أكبر لبدء التفاعل، لكنه صمد بشكل ملحوظ بمرور الوقت. فعند إخضاعه لنفس الاختبار طويل الأمد، حافظ على أدائه مع تدهور ضئيل جداً. ولاحظ الباحثون أن المواد التي خُبزت في درجات حرارة متوسطة، مثل 450 درجة مئوية، أظهرت مزيجاً من الخصائص، لكنها عانت غالباً من مشكلات مثل انحباس فقاعات الغاز في مسامها، مما أدى إلى عرقلة التفاعل. وخلصت الدراسة إلى أنه لا توجد درجة حرارة مثالية واحدة تحقق السرعة والاستمرارية معاً لأقصى حد. وبدلاً من ذلك، يعتمد النهج الأفضل على الاحتياجات المحددة للتطبيق: فإذا كانت الأولوية للسرعة الخام، فإن درجة الحرارة العالية هي الأفضل، أما إذا كانت الأولوية للبقاء لفترة طويلة دون تآكل، فإن درجة الحرارة المنخفضة هي الخيار الأفضل.

يسلط هذا العمل الضوء على أن تاريخ إنشاء المحفز لا يقل أهمية عن تركيبته الكيميائية. إن مجرد تغيير درجة حرارة الخبز قد غيّر الشكل الفيزيائي للمادة ونظامها الداخلي، وهو ما حدد بدوره كيفية تفاعلها مع الماء والكهرباء. وتشير النتائج إلى أن المهندسين الذين يصممون أنظمة إنتاج الهيدروجين الأخضر يجب أن يوازنوا بعناية بين الحاجة إلى الأداء العالي والحاجة إلى المتانة. ومن خلال ضبط المعالجة الحرارية، يمكنهم تطويع المادة لتناسب المتطلبات المحددة لنظامهم، مما يضمن أن المحفز لا يعمل جيداً للحظة فحسب، بل يستمر في العمل بموثوقية على المدى الطويل.