كيف يمكننا تخزين الهيدروجين بطريقة فعّالة وآمنة؟

مع بدء إدراك البشر لاحتياجهم إلى الطاقة الخضراء، بدأت الأنظار تتجه نحو الوقود الأخضر، وأفضل الطرق للحصول عليه وتخزينه.

ظهر الهيدروجين كمصدر للوقود قبل 250 عاما، وتم تطوير أول خلية وقود هيدروجين من أجل توليد الكهرباء في عام 1838. لكن ظل الوقود الأحفوري يسيطر على المشهد، على الرغم من استخدام وقود الهيدروجين في مهام صعبة، مثل توليد الكهرباء في رحلتي أبولو وجمناي في ستينيات القرن العشرين.

رويدًا رويدًا، تدّخل التغير المناخي، وظهرت آثاره جلية، ما استوجب البشر على الوقوف والتفكير قليلًا في التوّجه نحو البدائل الخضراء، وهنا بزغ نجم الهيدروجين، كمصدر للوقود الأخضر.

وبدأ البشر يستثمرون في أفضل الطرائق للحصول عليه وتخزينه، لكن المشكلة التي واجهت الباحثين دائمًا التكلفة المرتفعة أو الظروف الصعبة لتخزينه، مع صعوبة استرداده. لكن في أقصى الشرق، كانت هناك مجموعة بحثية في معهد ريكن لأبحاث علوم الطبيعة باليابان، يبحثون عن طريقة جديدة لتخزين الأمونيا بطريقة فعّالة وآمنة وسهلة، علمًا بأنّ 20% من وزن الأمونيا هيدروجين، ما يجعلها مصدرًا مناسبًا للهيدروجين، ووصلوا إلى حلٍ بسيط ولكنه عبقري. ونُشرت الدراسة في دورية «جورنال أوف ذا أمريكان كيميكال سوسايتي» (Journal of the American Chemical Society) في 10 يوليو/تموز 2023.

جزيء داخل جزيء

تتلخص فكرة الباحثين في تخزين جزيء الأمونيا داخل جزيء آخر، وعند الحاجة، يستطيعون استخراج الأمونيا بطريقة سهلة للغاية بدون أي خسائر وبتكلفة أقل. وجزيء التخزين الذي عملوا عليه هو مركب «بيروفسكايت إيثيل أمونيوم يوديد الرصاص» (EAPbl3)، ورمزه الكيميائي (CH3CH2NH3PbI3).

• "أدنوك" تطور أول محطة في الشرق الأوسط للتزود "فائق السرعة" بوقود الهيدروجين

تفاعل إضافة

يُعرف تفاعل الإضافة في الكيمياء على أنه إضافة جزيء إلى جزيء آخر، وربما إضافة عدد من الجزيئات لبعضها؛ فيتكون مركب كيميائي أكبر، وهو بالمناسبة واحد من أبسط التفاعلات الكيميائية السلسلة، ولأن العبقرية تكمن في البساطة، اعتمد الباحثون على فكرة هذا التفاعل البسيطة، وأضافوا الأمونيا إلى مركب الـ«بيروفسكايت إيثيل أمونيوم يوديد الرصاص»، وتحوّل إلى هيدروكسيد يوديد الرصاص (Pb(OH)I).

كل التغيير الذي حصل أنّ مركب الـ«بيروفسكايت إيثيل أمونيوم يوديد الرصاص»، كان أُحادي البُعد وبعد إضافة الأمونيا، صار هيدروكسيد يوديد الرصاص، وهو مركب ذو هيكل ثنائي الأبعاد.

استرداد بسيط

والأهم من ذلك أنّ عملية استرداد الأمونيا المخزنة بسيطة جدًا؛ وذلك عبر التفاعل العكسي، وهو تفاعل كيميائي أيضًا بسيط وسلسل، ويتيح تغيير اتجاه التفاعل؛ فتتحول المادة الناتجة إلى مواد متفاعلة مرة أخرى، تحت نفس الظروف.

• "البولي سيليكون" طعنة في ظهر المناخ.. ماذا يحدث بأسواق الطاقة الشمسية؟
  

عند تطبيق هذا التفاعل على مركب هيدروكسيد يوديد الرصاص؛ وهو المادة الناتجة من تفاعل الإضافة بين مركب الـ«بيروفسكايت إيثيل أمونيوم يوديد الرصاص» مع الأمونيا. في التفاعل العكسي تحت 50 درجة مئوية، يسير التفاعل في الاتجاه العكسي، ويتفكك هيدروكسيد يوديد الرصاص إلى أمونيا وبيروفسكايت إيثيل أمونيوم يوديد الرصاص. وبذلك نحصل على الأمونيا من جديد بسهولة، بدون تكلفة مرتفعة.

إضافة إلى ذلك، يعود البروفسكايت إلى شكله الهيكل العمودي أحادي البُعد، ما يسهل استخدامه مرة أخرى، ويمكن تخزين واستعادة الأمونيا منه بصورة متكررة. كما لاحظ الباحثون قدرة هذا المركب على تحويل لون الأمونيا إلى اللون الأبيض بدلًا من الأصفر، ما يفتح الباب أمام دراسات أخرى تبحث في خصائص البروفسكايت المتعلقة بالألوان. من جانب آخر، يُساعد هذا البحث في تحقيق أهداف التنمية المستدامة، وتعزيز استخدام الطاقة النظيفة، والانتقال إلى الاقتصاد الأخضر الخالي من الكربون.