سبيكة غاليوم تخفف كلفة تنشيط النيتروجين كهربائيا

غير باحثون من جامعتي موناش وRMIT كيمياء المهبط في أحد أبرز المسارات لإنتاج الأمونيا بالكهرباء. وتستبدل الدراسة المحكمة، المنشورة في دورية Cell Press Blue في 8 أكتوبر، ترسيب فلز الليثيوم بمادة قائمة على الغاليوم تكوّن سبيكة مع الليثيوم.

تكمن الصعوبة في أن جزيئات النيتروجين شديدة الاستقرار. يستطيع الليثيوم المساعدة في تنشيطها، لكن ترسيبه كفلز يتطلب جهدا كهربائيا سالبا بشدة. لذلك يستهلك جزء من الطاقة للوصول إلى الظروف الكيميائية اللازمة قبل بدء تكوين الأمونيا المفيدة.

الليثيوم داخل سبيكة بدلا من طبقة فلزية

يستقبل المهبط الجديد الليثيوم داخل سبيكة. ويقول الباحثون إن ذلك يسمح لتفاعل اختزال النيتروجين بوساطة الليثيوم بالعمل عند جهد أفضل بكثير، مع الحفاظ على الكيمياء اللازمة لتحويل النيتروجين إلى أمونيا.

العملية الجديدة لا تستغني عن الليثيوم، بل تغير موضعه ومقدار القوة الكهربائية التي يحتاج إليها المهبط.

حقق الفريق في الظروف المخبرية المحسنة كفاءة فارادية بلغت 96 ± 6%. وتقيس الكفاءة الفارادية مقدار الشحنة الكهربائية التي تصل إلى المنتج المقصود بدلا من التفاعلات الجانبية. كما حسب الباحثون أن التصميم قد يتيح كفاءة طاقة لا تقل عن 22%. ووصفت موناش العمل في إعلانها البحثي بأنه تجاوز لحد أساسي في نهج ترسيب الليثيوم التقليدي.

ولا يقيس الرقمان الشيء نفسه. يبين الأول حصة التيار التي تنتج الأمونيا، بينما يقدر الثاني الطاقة الكيميائية المفيدة المخزنة في الأمونيا مقارنة بالكهرباء الداخلة. لذلك لا تكفي الانتقائية العالية وحدها لإثبات جدوى العملية اقتصاديا.

لماذا يصعب توزيع إنتاج الأمونيا

تصنع معظم الأمونيا حاليا في منشآت كبيرة لأن الإنتاج التقليدي يناسب المعدات المركزية والتشغيل المستمر. وقد يتيح المسار الكهروكيميائي المدعوم بالكهرباء المتجددة مستقبلا إنشاء وحدات أصغر قرب المزارع أو مصادر الطاقة المتجددة البعيدة. ولهذا يجري تطوير البحث بالتعاون مع شركة جوبيتر أيونيكس المنبثقة من موناش، وفقا لما أورده أيضا موقع Phys.org.

يوسع الإنجاز إذا مساحة تصميم إنتاج الأمونيا بوساطة الليثيوم، لكنه لا يكمل بعد طريق السماد الأخضر. وستتحدد قيمته الفعلية بقدرة الجهد الأفضل على الصمود في خلايا أكبر وتشغيل متواصل وبعد احتساب خسائر بقية النظام التي لا تظهر في قياسات المختبر.