استراتيجيات مبتكرة لتفكيك المياه باستخدام التحفيز الكهربائي

يُعتبر تفكيك المياه باستخدام التحفيز الكهربائي المدفوع بمصادر الطاقة المتجددة لإنتاج الهيدروجين النظيف استراتيجية واعدة لمستقبل محفظة الطاقة. حالياً، فإن المحفزات الكهربائية الحديثة لتفكيك المياه في المحاليل الحمضية هي IrO2 أو RuO2 لتفاعل توليد الأكسجين (OER) و Pt لتفاعل توليد الهيدروجين (HER). يتطلب تحقيق إنتاج هيدروجين على نطاق واسع من تفكيك المياه استخدام محفزات كهربائية غير ثمينة وكفؤة. على الرغم من التقدم الذي تم إحرازه على مدى عقود في هذا المجال، لا تزال هناك عدة تحديات تحتاج إلى التغلب عليها: (1) تركزت معظم الجهود في تصميم المحفزات الكهربائية غير الثمينة على تطوير محفزات لتفاعل HER في الظروف الحمضية ولكن على محفزات OER في الظروف القلوية بسبب ملاءمتها الديناميكية الحرارية، مما قد يؤدي إلى تكامل غير متوافق لنوعَي المحفزات وبالتالي أداء إجمالي أقل. (2) في التحليل الكهربائي التقليدي للمياه، يرتبط تفاعل HER و OER بصرامة ونتيجة لذلك يتم إنتاج الهيدروجين والأكسجين بشكل متزامن، مما قد يؤدي إلى خلط متفجر لهيدروجين/أكسجين بسبب احتراق الغاز. في الوقت نفسه، يمكن أن يؤدي وجود الهيدروجين والأكسجين والمحسسات الكهربائية إلى إنتاج أنواع نشطة من الأكسجين قد تؤدي إلى تقصير عمر مستخلص الكهرباء. (3) غالباً ما يكون معدل تفاعل HER محدوداً بمعدل OER بسبب حركية الأخيرة الأبطأ، مما يقلل من كفاءة تحويل الطاقة الإجمالية. علاوة على ذلك، فإن منتج OER، O2، ليس ذا قيمة عالية. (4) لا يزال من التحدي تطوير أنظمة تخزين ونقل هيدروجين فعالة ومنخفضة التكلفة من أجل اقتصاد الهيدروجين المستقبلي. في هذه الحسابات، نصف التقدم الأخير في الاستراتيجيات المبتكرة لمعالجة التحديات الأربعة المذكورة أعلاه في التحليل الكهربائي التقليدي للمياه. تشمل هذه الاستراتيجيات الجديدة (1) التحليل الكهربائي العام للمياه المستند إلى محفزات كهربائية غير ثمينة ثنائية الوظيفة (أو مسبقات) لتحفيز كلا من HER و OER في نفس الظروف، (2) التحليل الكهربائي المنفصل للمياه الذي يتم تحقيقه بواسطة وسائط الأكسدة والاختزال لفصل HER عن OER زمنياً ومكانياً، (3) التحليل الكهربائي الهجين للمياه من خلال دمج تفاعلات ترقية عضوية أكثر ملاءمة ديناميكيًا لتحل محل OER، و (4) التحليل الكهربائي المتتابع للمياه باستخدام المحفزات الحيوية لتحويل الهيدروجين المنتج في الموقع مع المركبات الأجنبية (مثل CO2 و N2) إلى منتجات أكثر قيمة. أخيرًا، يتم أيضًا تقديم التحديات المتبقية وآفاق المستقبل. نأمل أن تعمل هذه الحسابات كدعوة لمزيد من الجهود نحو تطوير أنظمة كهربائية متقدمة واستراتيجيات جديدة لإنتاج الهيدروجين من المياه وكذلك الترقية الكهربائية لمجموعة متنوعة من المركبات العضوية.