Assembly of Graphene on SAMs and their performance to ORR.

في عالم الطاقة، يمثل السعي لتحويل الأكسجين من الهواء إلى كهرباء تحدياً مركزياً. هذه العملية، المعروفة باسم تفاعل اختزال الأكسجين، هي قلب خلايا الوقود، وهي الأجهزة التي يمكنها تشغيل كل شيء من السيارات إلى المنازل دون تلوث. ومع ذلك، فإن جعل هذا التفاعل يحدث بكفاءة يتطلب عادةً معادن باهظة الثمن مثل البلاتين. لطالما بحث العلماء عن مواد أرخص وأكثر وفرة يمكنها القيام بالمهمة نفسها. أحد المرشحين الواعدين هو الجرافين، وهو ورقة من الكربون رقيقة جداً لدرجة أنها لا تتعدى سمك ذرة واحدة. وبينما يوصل الجرافين الكهرباء بشكل رائع، فمن الصعب أن يلتصق بسطح بطريقة مفيدة، وغالباً ما يحتاج إلى مساعدة ليصبح محفزاً. ولحل هذه المشكلة، لجأ الباحثون إلى الطبقات الأحادية ذاتية التجميع، وهي طبقات واحدة من الجزيئات التي تصطف تلقائياً على سطح ما مثل البلاط على الأرضية. ومن خلال الجمع بين هذه البلاطات الجزيئية والجرافين، يأمل العلماء في إنشاء منصة مستقرة وموصلة يمكنها استضافة جزيئات أخرى لتسريع التفاعل.

قام باحث في تشيلي مؤخراً ببناء مثل هذا النظام، حيث أنشأ نوعاً جديداً من الأقطاب الكهربائية التي تضع هذه المواد في طبقات بدقة. بدأ بسطح ذهبي أملس وطلاه بطبقة واحدة من 4-MBT، وهو جزيء يعمل كفاصل جزيئي. وفوق هذه الطبقة، وضع أوراقاً من أكسيد الجرافين المختزل كيميائياً، وهو شكل من أشكال الجرافين الذي عولج لإزالة الأكسجين واستعادة قدرته على توصيل الكهرباء. لم يلتصق الجرافين بالذهب مباشرة؛ بل استقر بدلاً من ذلك على النهايات الكارهة للماء (التي تنفر الماء) لطبقة الفاصل الجزيئي. خلق هذا هيكلاً يشبه الشطيرة، حيث تم فصل الذهب عن الجرافين بواسطة غشاء عضوي رقيق. ثم أضاف الباحث الفثالوسيانين الحديدي، وهو جزيء يحتوي على الحديد معروف بقدرته على تفكيك الأكسجين، فوق أوراق الجرافين. ووجد أن هذا الترتيب المحدد سمح لجزيئات الحديد بالاستقرار بأمان على الجرافين، مما خلق سطحاً كان أفضل بكثير في اختزال الأكسجين من المحاولات السابقة.

لفهم مدى جودة عمل هذا الهيكل الجديد، أجرى الباحث سلسلة من الاختبارات. أولاً، تحقق من مدى سهولة انتقال الكهرباء عبر الطبقات. عندما وضع الجرافين فوق الفاصل الجزيئي، انخفضت المقاومة الكهربائية بشكل كبير مقارنة بالفاصل وحده. أثبت هذا أن أوراق الجرافين نجحت في سد الفجوة، مما سمح للإلكترونات بالتدفق بحرية بين قاعدة الذهب والعالم الخارم. وباستخدام مجهر متخصص يقيس التيار الكهربائي على المقياس النانوي، رأى أن الجرافين شكل "جزر" متميزة وعالية التوصيل عبر السطح. لم تكن هذه الجزر مسطحة تماماً؛ إذ كشف المجهر أن أوراق الجرافين كانت مطوية ومتراكمة في بعض المواضع، مما خلق مشهداً وعراً وذا ملمس بارز. هذا الملمس مهم لأن حواف وطيات الجرافين هي غالباً الأماكن التي تحدث فيها أكثر التفاعلات الكيميائية نشاطاً.

ثم فحص الباحث هيكل الجرافين نفسه باستخدام تقنيات تعتمد على الضوء. أظهر التحليل أن المادة مليئة بالعيوب والاضطرابات الصغيرة في شبكتها الكربونية. وبدلاً من كونها عيباً، فإن هذه العيوب مفيدة في الواقع لهذا التطبيق، حيث توفر المزيد من النقاط لحدوث التفاعلات الكيميائية. وعندما أضاف الجزيئات التي تحتوي على الحديد إلى سطح الجرافين هذا، أكدت الاختبارات أن الجزيئات قد التصقت به بأمان. وقد وُجد أن ذرات الحديد في الحالة الكيميائية الصحيحة لتعمل كمحفز، وأن ذرات النيتروجين داخل الجزيئات كانت في الموضع الصحيح للتفاعل مع الجرافين.

أخيراً، اختبر الباحث قدرة النظام على اختزال الأكسجين في محلول مائي أساسي. كانت النتائج مذهلة. فالقطب الجديد، بقاعدته الذهبية، وفاصله الجزيئي، وطبقة الجرافين، والمحفز الحديدي، بدأ عملية اختزال الأكسجين بجهد كهربائي أعلى بكثير من قطب تحكم وُضع فيه المحفز الحديدي مباشرة على الذهب. هذا التحول يعني أن النظام الجديد يتطلب طاقة أقل لبدء التفاعل. علاوة على ذلك، أنتج القطب الجديد تياراً كهربائياً أقوى بكثير، مما يشير إلى أنه يحول الأكسجين إلى ماء بكفاءة أكبر. أشارت البيانات إلى أن التفاعل يسير عبر مسار رباعي الإلكترونات، وهو المسار الأكثر كفاءة لتحويل الأكسجين إلى ماء، متجنباً إنتاج نواتج ثانوية ضارة. وتخلص الدراسة إلى أن هذا النهج الطبقي لا يغير الطريقة الأساسية التي يعمل بها التفاعل، ولكنه يجعل العملية تحدث بشكل أسرع وأسهل بكثير. ومن خلال استخدام الجرافين لاستعادة الاتصال الكهربائي وتوفير موطن مستقر للمحفز، نجح الباحث في إنشاء منصة أكثر فعالية لتكنولوجيا خلايا الوقود المستقبلية.