Termination controlled Phase-Pure Ti3C2Tx MXenes Towards Efficient Electrocatalysis

غالبًا ما يقود البحث عن طاقة نظيفة ومستدامة العلماء للعودة إلى المورد الأكثر وفرة على الأرض: الماء. إن تقسيم جزيئات الماء إلى هيدروجين وأكسجين هو خطوة أساسية نحو بناء اقتصاد الهيدروجين، حيث تشغل خلايا الوقود المركبات والصناعات دون انبعاثات كربونية. ومع ذلك، فإن عملية التقسيم هذه بطيئة وتستهلك الكثير من الطاقة، مما يتطلب محفزًا لتسريعها. ولعقود من الزمن، كانت أفضل المحفزات تُصنع من معادن نادرة وباهظة الثمن مثل البلاتين. وقد بحث المجتمع العلمي طويلًا عن بديل أرخص وأكثر وفرة يمكنه الأداء بنفس الكفاءة. وهنا تبرز فئة من المواد تسمى "المكسينات" (MXenes)؛ وهي عبارة عن صفائح رقيقة ثنائية الأبعاد مصنوعة من معادن انتقالية، وكربون، وعناصر أخرى. وتشتهر هذه المواد بكونها موصلات ممتازة للكهرباء وتمتلك مساحة سطح واسعة، مما يجعلها مثالية نظريًا لتحفيز التفاعلات الكيميائية. ومع ذلك، ظل هناك عائق رئيسي: جعل هذه المواد نقية بما يكفي لتكون فعالة. فلطالما تركت الطرق التقليدية لإنتاج "المكسينات" شوائب أو أدت إلى التصاق الصفائح ببعضها البعض، مما يحجب المواقع النشطة حيث تحدث الكيمياء. وبدون وسيلة للتحكم في السطح الدقيق لهذه المواد، كافح العلماء لفهم كيفية جعلها تعمل بكفاءة لإنتاج الطاقة.

في دراسة جديدة، طور باحثون في معهد CSIR لعلوم المعادن والمواد في الهند طريقة لإنشاء صفائح نقية للغاية من نوع معين من "المكسينات"، وهو كربيد التيتانيوم، واكتشفوا أن الذرات الصغيرة المتصلة بسطحها هي التي تحدد مدى جودة أدائها. ركز الفريق على نسختين متميزتين من هذه المادة: إحداهما تحتوي على ذرات الفلور المرتبطة بسطحها، والأخرى تحتوي على ذرات الأكسجين. ومن خلال التحكم الدقيق في عملية التصنيع، حققوا مستوى من النقاء يتجاوز 99.6 بالمائة، وهو تحسن كبير مقارنة بالمحاولات السابقة التي غالبًا ما كانت تترك بقايا غير مرغوب فيها. ووجد الباحثون أن هاتين النسختين من المادة تتصرفان بشكل مختلف تمامًا اعتمادًا على البيئة التي توضع فيها؛ حيث أثبتت النسخة الغنية بالفلور أنها بطلة في المحاليل الحمضية، بينما تفوقت النسخة الغنية بالأكسجين في المحاليل القلوية، أو القاعدية. هذا الاكتشاف أمر بالغ الأهمية لأنه يشير إلى أنه من خلال تغيير الطلاء السطحي للمادة فحسب، يمكن للعلماء ضبطها لتعمل بكفاءة في أنواع مختلفة من المحاليل المائية، وهو مطلب رئيسي لأجهزة الطاقة العملية.

بدأت الرحلة نحو هذه المواد النقية باستخدام مادة أولية تسمى "طور MAX"، وهي مركب سيراميكي طبقي يحتوي على التيتانيوم والألومنيوم والكربون. عادةً ما يتضمن إزالة طبقة الألومنيوم لإنشاء "المكسين" النهائي استخدام أحماض قوية يمكن أن تضر بالبنية أو تترك شوائب، وقد تجنب الفريق ذلك باستخدام عملية الملح المنصهر لإنشاء طور MAX عالي النقاء أولاً، ثم استخدام طريقة نقش لطيفة خالية من الأحماض لإزالة الألومنيوم. وبالنسبة لنسخة الفلور، استخدموا محلولًا يولد كمية صغيرة من حمض الهيدروفلوريك بطريقة محكومة وفي درجة حرارة معتدلة. أما بالنسبة لنسخة الأكسجين، فقد قاموا بتسخين المادة في حمام من الأملاح المنصهرة. أدت هذه الطريقة الدقيقة إلى الحصول على صفائح ليست نقية فحسب، بل أيضًا ذات طبقات متباعدة بشكل صحيح، مما يمنعها من التكتل ويضمن تعرض المواقع النشطة على السطح بالكامل للسائل.

وعند اختبار قدرتها على دفع "تفاعل تطور الهيدروجين" — وهي عملية تحويل الماء إلى غاز هيدروجين — أظهرت المواد نتائج مذهلة. ففي بيئة حمضية، تطلبت الصفائح المغلفة بالفلور كمية ضئيلة جدًا من الطاقة الإضافية، المعروفة باسم "الجهد الزائد"، لبدء إنتاج الهيدروجين. وتحديدًا، حققت تيارًا قدره 10 مللي أمبير لكل سنتيمتر مربع بجهد زائد قدره 86 مللي فولت فقط. كان هذا الأداء قريبًا جدًا من محفزات البلاتين باهظة الثمن المستخدمة حاليًا كمعيار ذهبي. ومع ذلك، تألقت الصفائح المغلفة بالأكسجين في بيئة قاعدية؛ ففي محلول هيدروكسيد البوتاسيوم، تطلبت جهدًا زائدًا أقل قدره 76 مللي فولت لإنتاج نفس كمية الهيدروجين، متفوقة بذلك على معيار البلاتين في ذلك الإعداد المحدد. كما قاس الباحثون سرعة حدوث التفاعل، ووجدوا أن نسخة الفلور كانت سريعة بشكل خاص في الوسط الحمضي، بينما كانت نسخة الأكسجين فعالة في الوسط القاعدي.

ذهبت الدراسة إلى أبعد من ذلك لاختبار ما إذا كانت هذه المواد يمكنها أيضًا دفع التفاعل العكسي، وهو تقسيم الماء لإنتاج الأكسجين، وهو أمر ضروري لجهاز كامل لتقسيم الماء. وهنا، أظهرت "المكسين" الغنية بالأكسجين قدرة مزدوجة؛ فهي لم تنتج الهيدروجين بكفاءة فحسب، بل ولدت الأكسجين أيضًا بجهد زائد منخفض قدره 134 مللي فولت. وعندما بنى الباحثون جهازًا بسيطًا باستخدام قطبين كهربائيين مصنوعين من هذه المادة الغنية بالأكسجين، تمكن النظام من تقسيم الماء إلى هيدروجين وأكسجين في آن واحد، متطلبًا جهدًا قدره 1.75 فولت فقط للوصول إلى كثافة تيار مفيدة. وظل الجهاز مستقرًا لأكثر من 42 ساعة، مما أثبت قدرة المادة على تحمل الظروف القاسية للتشغيل المستمر دون تدهور.

يكمن مفتاح هذا النجاح في الذرات المحددة المتصلة بسطح صفائح كربيد التيتانيوم. استخدم الباحثون تقنيات تصوير وتحليل كيميائي متقدمة لرؤية ما يوجد بالضبط على السطح، ووجدوا أن المادة الغنية بالفلور تحتوي على مزيج من ذرات الفلور والأكسجين، والتي تعمل معًا لمساعدة أيونات الهيدروجين على الالتصاق بالسطح والتحرر كغاز في الظروف الحمضية. أما المادة الغنية بالأكسجين، فكانت تهيمن عليها ذرات الأكسجين، وكانت أفضل في جذب جزيئات الماء وتفكيكها في الظروف القاعدية. يعمل هذا الكيمياء السطحية بمثابة أداة متخصصة لوظيفة محددة؛ فالطلاء الفلوري مُحسَّن لنوع واحد من المحاليل المائية، بينما الطلاء الأكسجيني مُحسَّن لنوع آخر. وتستبعد الدراسة صراحةً فكرة أن هذه المواد تعمل جيدًا لمجرد كونها موصلة أو لأنها مختلطة بمعادن أخرى؛ إذ جاء الأداء العالي مباشرة من نقاء "المكسين" نفسها والتحكم الدقيق في ذرات سطحها، دون الحاجة إلى أي مواد مضافة أو مواد داعمة.

تقدم هذه النتائج مسارًا واضحًا نحو تطوير محفزات فعالة ومنخفضة التكلفة للطاقة المتجددة. ومن خلال إثبات أن النقاء العالي والتحكم في النهايات السطحية هما العاملان الحسمان في الأداء، قدم الباحثون مخططًا لصناعة مواد أفضل. إن الطريقة التي استخدموها لإنشاء هذه الصفائح النقية يمكن تطبيقها على أنواع أخرى من "المكسينات" المصنوعة من معادن مختلفة، مما يفتح الباب أمام جيل جديد من المحفزات لمختلف تطبيقات الطاقة. ويؤكد هذا العمل أن مستقبل إنتاج الهيدروجين الفعال قد لا يعتمد على البحث عن معادن نادرة جديدة، بل على إتقان كيمياء السطح لمواد هي بالفعل وفيرة ومتاحة.