In-situ self-doping of Lotus seed pod-based hierarchical porous carbon for high-performance supercapacitors

تخيل شبكة الطاقة في العالم كمدينة ضخمة تعج بالحركة. لدينا الألواح الشمسية وتوربينات الرياح التي تشبه جيراناً متحمسين ولكن غير متوقعين؛ فأحياناً ينتجون فيضاً من الطاقة، وأحياناً أخرى يأخذون قيلولة. ولإبقاء الأضواء مشتعلة، نحتاج إلى أجهزة لتخزين الطاقة يمكنها أن تعمل مثل إسفنجة فائقة الكفاءة: تمتص الكهرباء فور توفرها وتضغطها للخارج بنفس السرعة عندما تحتاج الشبكة إلى دفعة. هذه هي مهمة المكثفات الفائقة (supercapacitors). فكر فيها كعدائي السرعة في عالم الطاقة. فخلافاً للبطاريات، التي تشبه عداءي الماراثون الذين يخزنون قدراً كبيراً من الطاقة ولكن يستغرقون وقتاً طويلاً للشحن والتفريغ، تستطيع المكثفات الفائقة الشحن في ثوانٍ والعمل لمئات الآلاف من الدورات. ومع ذلك، هناك عقبة: صنع "الإسفنجة" التي تحمل هذه الطاقة يتطلب عادةً حفر الوقود الأحفوري القديم (مثل الفحم) وطهيه في درجات حرارة حارقة، وهو أمر ملوث وغير مستدام. يسعى العلماء لإيجاد طريقة أفضل لصنع هذه الإسفنجات باستخدام أشياء تنمو من جديد، مثل النباتات، لكنهم يحتاجون لأن تكون هذه الإسفنجات النباتية سريعة وقوية تماماً مثل تلك المصنوعة من الوقود الأحفوري.

هنا يأتي دور فريق من الباحثين من جامعة هوبي للتكنولوجيا الميكانيكية، بتقديم حل ذكي مستوحى من الطبيعة. فقد قرروا التوقف عن النظر إلى الفحم والبدء في النظر إلى شيء قد تجده في بركة ما: قرن زهرة اللوتس. هل تعرف تلك الأكواب البنية ذات الشكل الشبيه بخلية النحل التي تحمل بذور اللوتس؟ أدرك الباحثون أن هذه القرون هي في الأساس هيكل جاهز من صنع الطبيعة لتخزين الطاقة. فداخل القرن، يوجد شبكة طبيعية من الأنابيب المجوفة والغرف الصغيرة، تشبه إلى حد كبير خلية النحل. وبدلاً من محاولة بناء هيكل معقد من الصفر، قرر الفريق استخدام هذا التصميم الطبيعي كنموذج أولي.

أخذ الفريق قرون اللوتس المجففة هذه، وطحنها لتصبح مسحوقاً، وأعطاها "حماماً كيميائياً" باستخدام مادة تسمى KOH (هيدروكسيد البوتاسيوم) قبل تسخينها. هذه العملية تشبه نحاتاً عالي التقنية ينحت في كتلة من الحجر. حيث تحول الحرارة المادة النباتية إلى كربون، بينما يقوم الحمام الكيميائي بتآكل السطح لإنشاء متاهة من الثقوب الصغيرة. ولكن إليكم الخدعة السحرية: يحتوي قرن اللوتس طبيعياً على ذرات النيتروجين والكبريت. وبدلاً من إضافة هذه العناصر من الخارج (والذي قد يكون غير متجانس وغير دقيق)، قامت المعالجة الحرارية بـ "خبز" هذه الذرات داخل هيكل الكربون نفسه. يطلق الباحثون على هذه العملية اسم "التطعيم الذاتي في الموقع" (in-situ self-doping). الأمر يشبه تتبيل الكعكة عبر نمو التوابل داخل العجين بدلاً من رشها فوقه لاحقاً؛ حيث يمتزج النكهة بشكل مثالي في الداخل.

النتيجة لهذه العملية هي مادة أطلقوا عليها اسم LDCC-5. وعندما اختبروها، أدت المادة عملها كبطلة. ففي بيئة المختبر، استطاعت تخزين كمية هائلة من الشحنة الكهربائية بلغت 811.8 F/g (فاراد لكل جرام) عند تيار قدره 0.5 A/g. ولو وضعت ذلك في الاعتبار، فقد حافظت على طاقتها بشكل مذهل، حيث احتفظت بـ 97% من سعتها حتى بعد شحنها وتفريغها 10,000 مرة بسرعة عالية. وعندما صنعوا جهاز مكثف فائق كامل باستخدام هذه المادة، قدمت كثافة طاقة بلغت 49.98 Wh/kg عند كثافة قدرها 399.84 W/kg، وظلت تحتفظ بـ 89% من طاقتها بعد 10,000 دورة.

لماذا نجح الأمر بهذا الشكل الجيد؟ وجد الباحثون أن شكل خلية النحل الطبيعي لقرن اللوتس صمد خلال عملية الطهي، مما خلق "طرقاً سريعة" كبيرة (macropores) تسمح للأيونات (الجسيمات الصغيرة المشحونة التي تحمل الطاقة) بالدخول والخروج بسرعة. ثم قام الحمام الكيميائي بنحت ملايين "أماكن الوقوف" الصغيرة (micropores) على جدران هذه الطرق السريعة لتخزين الطاقة. ولأن النيتروجين والكبريت تم خبزهما مباشرة في الكربون، أصبح السطح محباً جداً للماء (hydrophilic)، مما يعني أن المحلول الإلكتروليتي يمكنه ترطيب كل ركن وزاوية فوراً. هذا المزيج من نظام الطرق السريعة الطبيعي، وعدد هائل من أماكن الوقوف، وسطح يحب البلل، سمح للمادة بالتغلب على المقايضة المعتادة حيث يتعين عليك الاختيار بين تخزين الكثير من الطاقة أو الشحن بسرعة كبيرة. تشير هذه الدراسة إلى أنه من خلال استخدام النفايات الزراعية مثل قرون اللوتس وترك الكيمياء الطبيعية تقوم بالعمل الشاق، يمكننا بناء مكثفات فائقة ليست عالية الأداء فحسب، بل أيضاً رخيصة وخضراء ومستدامة.