يفتح الاكتشاف الرقمي محفزًا متينًا لتقسيم الماء الحمضي

طور فريق بحث طريقة جديدة لتسريع اكتشاف مواد مستقرة وبأسعار معقولة تدعم إنتاج الهيدروجين النظيف. يمكن أن يساعد نهجهم في جعل الهيدروجين - مصدر الطاقة النظيفة الواعد - متاحًا على نطاق أوسع من خلال تقليل الاعتماد على المعادن النبيلة المكلفة. يمكن إنتاج الهيدروجين من خلال تجزئة الماء، وهي عملية تستخدم الكهرباء لتفكيك جزيئات الماء إلى هيدروجين وأكسجين. تتضمن هذه العملية تفاعلين رئيسيين: تفاعل تطور الأكسجين (OER) وتفاعل تطور الهيدروجين (HER). في حين أن بعض أكاسيد المعادن - وهي مركبات مصنوعة من المعادن والأكسجين - أظهرت إمكاناتها كمحفزات منخفضة التكلفة، فإنها غالبا ما تتحلل في البيئات الحمضية المستخدمة عادة لتقسيم المياه الصناعية. ولمواجهة هذا التحدي، صمم الفريق نظام "حلقة مغلقة". إطار بحثي يجمع عدة مراحل من تطوير المحفز. يتضمن ذلك تحديد المرشحين الواعدين باستخدام تحليل البيانات، واختبار سلوكهم في ظل ظروف التشغيل الحقيقية، وتأكيد أدائهم من خلال التجارب المعملية. ترتبط جميع الخطوات من خلال نظام رقمي يسمح بالتعلم والتحسين المستمر. "في قلب عملنا توجد منصة تعتمد على البيانات تسمى DigCat". يشرح هاو لي، الأستاذ في المعهد المتقدم لأبحاث المواد بجامعة توهوكو (WPI-AIMR). "إنها تساعدنا على استكشاف مجموعة واسعة من المواد بكفاءة من خلال التنبؤ بكيفية تصرف أسطحها أثناء تقسيم الماء، والذي غالبًا ما يكون مفتاح فعاليتها." وباستخدام هذا النهج، حدد الباحثون مركبًا يسمى RbSbWO₆ كمحفز واعد بشكل خاص. لقد أظهر أداءً قويًا لكل من الموارد التعليمية المفتوحة وHER في الظروف الحمضية - وهو أمر نادر بالنسبة لأكاسيد المعادن غير المعدلة ومنخفضة التكلفة. ومن الجدير بالذكر أن المادة ظلت مستقرة من الناحية الهيكلية حتى بعد الاستخدام الممتد، وهو متطلب أساسي للتطبيقات العملية. يسلط الباحثون الضوء على أن العملية برمتها - بدءًا من فحص الكمبيوتر إلى التحقق من الصحة في المختبر - توضح قوة الجمع بين الأدوات الرقمية والعمل التجريبي. "نحن لا نبحث فقط عن مواد أفضل" يقول لي. "نحن أيضًا نبتكر طريقة أكثر ذكاءً للعثور عليهم." بالإضافة إلى تقسيم الماء، يمكن أيضًا تكييف إطار عمل الفريق مع تفاعلات كيميائية مهمة أخرى، مثل تحويل ثاني أكسيد الكربون إلى وقود مفيد أو إنتاج الأمونيا من النيتروجين. تعتبر ردود الفعل هذه أساسية للطاقة المستدامة والتقنيات البيئية. تتضمن المرحلة التالية من البحث توسيع قاعدة بيانات الحالة السطحية وتطبيق الطريقة على أنظمة المواد الأخرى. "من خلال معرفة المزيد حول كيفية تصرف الأسطح أثناء التفاعلات، يمكننا اكتشاف الإمكانات الخفية في المواد التي تم تجاهلها سابقًا." يقول لي. ويأمل الفريق أن تؤدي هذه الإستراتيجية إلى تسريع التقدم نحو حلول فعالة وبأسعار معقولة لتحول الطاقة العالمي.