تكنولوجيا

الألماس النانوي هو المفتاح لتنقية الهيدروجين بكفاءة – ومستقبل خالٍ من الكربون

أوراق أكسيد الجرافين المدمجة مع الماسات النانوية

تقدم هذه الصورة تمثيلاً مرئيًا تجريديًا لألواح أكسيد الجرافين (طبقات سوداء) مغطاة بألماس نانوي (نقاط بيضاء ساطعة). تمارس الألماس النانوي قوى كهروستاتيكية طويلة المدى (دوائر بيضاء ضبابية) تعمل على تثبيت الألواح حتى في الظروف الرطبة ، مما يخلق مادة غشائية واعدة لتنقية الهيدروجين. الائتمان: ياسوهيرو شيدا (بروكين 5) وتورو تسوجي (تصوير)

قد تكون الماسات النانوية صغيرة ، لكنها يمكن أن تساعد في حل واحدة من أكبر المشاكل التي تواجه البشرية اليوم: تغير المناخ.

الهيدروجين ، وقود نظيف الاحتراق ، يترك الماء فقط خلفه عند استهلاكه. ترى العديد من البلدان أن الهيدروجين هو طريق لمستقبل خالٍ من الكربون ، لكن التحول إلى اقتصاد الهيدروجين يتطلب أن يكون إنتاجه في متناول الجميع أكثر مما هو عليه اليوم.

في دراسة نشرت في طاقة طبيعية في الآونة الأخيرة ، وصف باحثون بقيادة معهد علوم المواد الخلوية المتكاملة (iCeMS) في جامعة كيوتو كيف يمكن للأغشية المركبة المعززة بالألماس النانوي تنقية الهيدروجين من خلائطه الرطبة ، مما يجعل عمليات توليد الهيدروجين أكثر كفاءة وفعالية من حيث التكلفة.

يقول البروفيسور إيسان سيفانيا ، الذي قاد فريق iCeMS: “هناك العديد من المنهجيات القابلة للتطوير لإنتاج الهيدروجين ، لكن الهيدروجين يأتي عادةً في شكل مخاليط رطبة وتنقيتها تمثل تحديًا”. تتيح تقنية الأغشية عمليات فصل موفرة للطاقة واقتصادية. لكننا نحتاج إلى مواد الغشاء المناسبة لكي يعمل هذا “، أضاف سيفانيا.

يمكن تجميع أكسيد الجرافين (GO) ، وهو مشتق من الجرافيت قابل للذوبان في الماء ، لتشكيل غشاء يمكن استخدامه لتنقية الهيدروجين. يمر غاز الهيدروجين بسهولة عبر هذه المرشحات ، بينما تظل الجزيئات الأكبر محجوبة.

عادة ما يتم فصل الهيدروجين عن ثاني أكسيد الكربون2 أو س2 في ظروف رطبة جدا. أوراق GO مشحونة سلبًا مما يجعلها تتنافر. عند تعرضها للرطوبة ، تتنافر الألواح السالبة الشحنة بعضها البعض أكثر ، مما يسمح لجزيئات الماء بالتجمع في الفراغات بين صفائح GO ، مما يؤدي في النهاية إلى إذابة الغشاء.

أوضح الدكتور بهنام غالي ، الذي شارك في الإشراف على البحث ، أن إضافة الألماس النانوي إلى صفائح GO يحل مشكلة التحلل الناتج عن الرطوبة. “يمكن للألماس النانوية ذات الشحنة الإيجابية أن تلغي التنافر السلبي للأغشية ، مما يجعل صفائح GO أكثر إحكاما ومقاومة للماء.”

كما ضم الفريق مجموعات بحثية أخرى من اليابان وخارجها. باحثون من معهد اليابان لأبحاث الإشعاع السنكروترون (ربيع -8 / JASRI) دراسات متقدمة بالأشعة السينية ، كما ساهم معهد علوم الحياة الكمية (QST) في تطوير المواد. شاركت جامعة ShanghaiTech (الصين) والجامعة الوطنية المركزية (تايوان) في توصيف المواد المتقدمة.

يقول Sivaniah: “في تعاوننا مع الدكتور Ryuji Igarashi من QST ، تمكنا من الوصول إلى الماس النانوي بأحجام ووظائف محددة جيدًا ، والتي بدونها لم يكن البحث ممكنًا”. “من المهم ملاحظة أن مجموعة Igarashi لديها تقنية مسجلة ببراءة اختراع لزيادة إنتاج الألماس النانوي بتكلفة معقولة في المستقبل.”

يقول سيفانيا إن للماس النانوي استخدامات محتملة تتجاوز إنتاج الهيدروجين. يعد التحكم في الرطوبة أمرًا حيويًا أيضًا في عدد من المجالات الأخرى ، بما في ذلك المستحضرات الصيدلانية وأشباه الموصلات وإنتاج بطاريات أيونات الليثيوم. يمكن لتقنية الأغشية أيضًا أن تحدث ثورة في تكييف الهواء عن طريق إزالة الرطوبة بشكل فعال. تعد مكيفات الهواء من بين أكثر طرق التبريد فاعلية لأن كمية كبيرة من الكهرباء المستخدمة لتشغيلها تُستخدم لإزالة الرطوبة ، وتوليد المزيد من ثاني أكسيد الكربون.2 الانبعاثات وخلق دوامة الجهنمية للاحتباس الحراري.

تلتزم الحكومة اليابانية التزامًا عميقًا بمستقبل خالٍ من الكربون. أنشأ صندوقًا للابتكار الأخضر قيمته 20 مليار دولار أمريكي لدعم الشراكات المشتركة بين اللاعبين الرئيسيين في الصناعة والشركات الريادية التي تقدم تقنيات جديدة إلى السوق.

المرجع: “التغلب على التورم الناجم عن الرطوبة الجرافين أغشية الهيدروجين القائمة على الأكسيد باستخدام الألماس النانوي المعوض بالشحنة “بواسطة Guoji Huang و Behnam Ghalei و Ali Pournaghshband Isfahani و H. Enis Karahan و Daiki Terada و Detao Qin و Conger Li و Masahiko Tsujimoto و Daisuke Yamaguchi و Kunihisa Sugimoto و Ryujae Igarashi ، Tao Li ، Masahiro Shirakawa و Easan Sivaniah ، 16 ديسمبر 2021 ، طاقة طبيعية.
DOI: 10.1038 / s41560-021-00946-y

iCeMS في جامعة كيوتو هو أحد المعاهد الرائدة في اليابان للنهج المبتكرة في إشراك العلوم لمساعدة المجتمع. Sivaniah هو مؤسس OOYOO ، وهي شركة ناشئة تهدف إلى لعب دور فعال في تسويق تكنولوجيا الأغشية لمستقبل خالٍ من الكربون.


Source link

مقالات ذات صلة

أضف تعليقاً

لن يتم نشر عنوان بريدك الإلكتروني.

Back to top button