شارك الدكتور كاروباسامي كاروباسامي، بتوجيه من الأستاذ الدكتور أكرم الفنطزي، من جامعة خليفة للعلوم والتكنولوجيا، ضمن فريق من الباحثين في مشروع بحثي يتناول التطورات في أكسيدات هيدروكسيدات المعادن ويركز على تخليقها وهندستها التركيبية وتطبيقاتها في تحويل وتخزين الطاقة الكهروكيميائية.
تستعرض هذه المقالة نتائج هذا العمل البحثي ودوره في تعزيز التحول من الوقود الأُحفوري إلى الطاقة المتجددة، والذي بات تحديًا مُلِحًّا في ظل وجود عوامل تحفّز عملية البحث عن بدائل مستدامة، تشمل التغير المناخي والتدهور البيئي واستنزاف الموارد. وتتمتع تكنولوجيات تحويل وتخزين الطاقة الكهروكيميائية بإمكانيات واعدة هائلة فيما يتعلق بالمواد المتقدمة، فهي تُحسِّن كفائتها وأدائها، كما تُعَد أكسيدات هيدروكسيدات المعادن إحدى مجموعات هذه المواد المتقدمة، وهي مهيّأة للعب دور حاسم في مستقبل الطاقة.
وقد تعاون الدكتور كاروباسامي في هذا البحث مع باحثين من جامعة كيونغ سانغ الوطنية في كوريا الجنوبية ومعهد فيلور للتكنولوجيا في الهند وجامعة ماتو غروسو دو سول الفيدرالية في البرازيل وكلية أُكسفورد للعلوم وجامعة شولالونغكورن في تايلاند وحرم جامعة دونغوك في مدينة سول في كوريا الجنوبية.
ونُشِرَت نتائج البحث في مجلة كوردينيشن كيمستري ريفيوز التي تندرج في قائمة أفضل 1% من المجلات العلمية في مجال الكيمياء التناسقية، أحد فروع علم الكيمياء.
وتُعَد أكسيدات هيدروكسيدات المعادن نوعًا من المركبات المعدنية التحولية التي تشمل عناصر كالمنغنيز والنيكل والحديد والكوبالت، وتتسم هذه المواد بتركيبات إلكترونية فريدة وحالات متباينة من التكافؤ، ما يجعل أداءها فعّالًا كمحفزات كهربائية ومواد موصلة للكهرباء بشكل خاص. وتتميز أكسيدات هيدروكسيدات المعادن بتركيبات ثنائية الأبعاد متعددة الطبقات تشمل وحدات فرعية ثُمانية الأسطح ذات حواف مشتركة تزيد من قابليتها على توصيل الكهرباء وتُحسّن ملمس السطح. ويجري أيضًا إدخال أيونات متنوعة في تركيب أكسيدات هيدروكسيدات المعادن لتحسين أدائها الكهروكيميائي العام.
وتمتلك أكسيدات هيدروكسيدات المعادن إمكانيات واعدة خاصةً في تطبيقات المكثفات الفائقة، وهي أجهزة لتخزين الطاقة تتميّز بقدرتها على تخزين وتوصيل كمية كبيرة من الطاقة ودورات حياة طويلة وسرعة في الشحن والتفريغ.
وفي هذا الصدد، قال الدكتور كاروباسامي: "أظهرت أكسيدات هيدروكسيدات المعادن كأكسيد هيدروكسيد الكوبالت وأكسيد هيدروكسيد النيكل أداءً مميزًا كأقطاب كهربائية للمكثفات الفائقة، فقد أظهِر أكسيد هيدروكسيد الكوبالت على سبيل المثال، سعة كهربائية محددة عالية وثباتًا بفضل حالاته التكافؤية المختلطة، وهو ما يسهّل بدوره التفاعلات الممتازة للأكسدة والاختزال".
ويمكن لأكسيدات هيدروكسيدات المعادن التحولية في تكنولوجيا البطاريات أن تعمل كمواد موصلة للكهرباء في بطاريات أيونات المعادن القلوية، ما يتيح كثافة طاقة عالية وثباتًا في عملها، كما أنها تتميّز بقدرتها على تحمل تفاعلات الأكسدة والاختزال، الأمر الذي يجعلها مثالية لتطبيقات الجيل التالي من البطاريات، مع إمكانية تفوّقها على المواد التقليدية في الأداء.
تتميز أكسيدات هيدروكسيدات المعادن أيضًا بكونها عوامل محفزة فعالة للتحليل الكهربائي للماء، وهي عملية تنتج وقود الهيدروجين من خلال تحليل الماء وفصله إلى هيدروجين وأكسجين، كما أنها تُعَد عملية حيوية لتطوير طاقة هيدروجين نظيفة، وتسمح الخواص التركيبية لأكسيدات هيدروكسيدات المعادن للإلكترونات بالانتقال والأيونات بالانتشار بشكل أكثر كفاءة، ما يجعلها فعّالة جدًا في التفاعلات المستخدمة في توليد كلٍ من الهيدروجين والأكسجين.
ويشمل تخليق أكسيدات هيدروكسيدات المعادن وسائل مبتكرة متنوعة وتمتلك كل وسيلة مميزاتها الخاصة، حيث تتيح العمليات المائية الحرارية والتخليق باستخدام المذيبات الحرارية القدرة على التحكم الدقيق في التركيبات النانوية والمركبات الكيميائية، وهو ما يؤدي إلى إنتاج مواد ذات درجة عالية من النقاء تمتلك الخواص المطلوبة، في حين تُنتِج عملية السائل-هلام، التي تتحوّل من خلالها جزيئات صغيرة من الحالة السائلة إلى مواد في الحالة الصلبة أو الهلامية، أنظمة متعددة المكونات عند درجات حرارة منخفضة. وتتسم عملية التخليق المدعومة بالموجات الدقيقة بسرعتها وكفائتها في استهلاك الطاقة، إلا أنها تتطلب معدات متخصصة.
وبالرغم من إمكانيات أكسيدات هيدروكسيدات المعادن، إلا إنها تواجه تحديات عديدة، فثمة عقبة كبيرة تتمثل في التوسع في الإنتاج مع الاحتفاظ في الوقت نفسه بالجودة والأداء. إضافة لذلك، لا يزال من الصعب الحفاظ على ثبات المواد المشتقة من أكسيدات هيدروكسيدات المعادن لفترة طويلة في بيئات كهروكيميائية متنوعة.
ومن شأن أكسيدات هيدروكسيدات المعادن أن تُحدِث نقلة نوعية في مجال تحويل الطاقة الكهروكيميائية وتخزينها، إلا أن استمرارية البحث والتطوير ستكون ضرورية لاستغلال إمكانياتها بالكامل.
سيد صالح
أخصائي ترجمة وتعريب