يساعد المحفز المعتمد على الحديد بطاريات الزنك والهواء على تشغيل الأجهزة بدون معادن ثمينة
قام الباحثون في جامعة توهوكو بتطوير محفز قائم على الحديد يعمل على تحسين أداء بطاريات الزنك والهواء، وهي تقنية يُنظر إليها على أنها بديل أقل تكلفة لأنظمة أيونات الليثيوم لتخزين الطاقة. ركز الفريق على التغلب على القيود الرئيسية لتفاعل اختزال الأكسجين (ORR) في بطاريات الزنك والهواء. في حين أن بطاريات الزنك والهواء تسحب الأكسجين من الهواء المحيط بدلاً من تخزينه داخليًا، فإن عملية ORR بطيئة نسبيًا، مما يحد من الأداء العام للبطارية. ولمعالجة هذه المشكلة، صمم الباحثون واجهة مغايرة تجمع بين أكسيد الحديد (Fe2O3) وأكسيد السماريوم (Sm2O3). غيرت الواجهة كيفية تصرف الإلكترونات على سطح المحفز، مما ساعد على تسريع حركية التفاعل وتحسين كفاءة البطارية. وفقًا للباحثين، فإن المحفز يضعف الترابط المفرط بين مواقع الحديد ووسيط الهيدروكسيل، مما يسمح للتفاعل بالتقدم بشكل أكثر سلاسة وتقليل أحد الاختناقات الرئيسية في تشغيل بطارية الزنك والهواء. إعادة صياغة كيمياء البطارية تم اختيار Fe2O3 لأنه متوفر بكثرة، وغير مكلف، ومستقر في ظل الظروف القلوية الشائعة في بطاريات الزنك والهواء. ومع ذلك، فإن المحفزات المعتمدة على الحديد تعاني عادةً من تفاعلات Fe-OH القوية التي تؤدي إلى إبطاء إطلاق منتجات التفاعل. تم تصميم واجهة Fe2O3/Sm2O3 المطورة حديثًا للتغلب على هذا القيد. وقال الباحثون إن إعادة توزيع الشحنة والتهجين المداري وتعديل الدوران في الواجهة ساعد في تحسين سلوك المحفز أثناء تقليل الأكسجين. ونتيجة لذلك، قدم المحفز حركية ORR أسرع ومتانة محسنة مقارنة بالطرق التقليدية. كما تجنب العمل أيضًا استخدام المعادن النبيلة باهظة الثمن، والتي تُستخدم عادةً في المحفزات عالية الأداء. قام الفريق بتقييم المادة في بطاريات الزنك والهواء السائلة والمرنة ذات الحالة الصلبة بالكامل. وبعيدًا عن القياسات المعملية، أظهر الباحثون التشغيل العملي من خلال تشغيل مصباح LED صغير وشحن الهاتف الذكي. وقال هاو لي، الأستاذ المتميز في المعهد المتقدم لأبحاث المواد (WPI-AIMR): “يحقق المحفز نشاط ORR عاليًا، وحركية تفاعل محسنة، ومتانة ممتازة، وأداءً فائقًا في كل من بطاريات الزنك والهواء السائلة والمرنة ذات الحالة الصلبة بالكامل”. لقد جذبت بطاريات الزنك والهواء الاهتمام لأنها تستخدم مواد متاحة على نطاق واسع ويمكنها نظريًا توفير كثافة طاقة عالية. وعلى عكس بطاريات الليثيوم أيون، فإنها تعتمد على الأكسجين الموجود في الغلاف الجوي كجزء من العملية الكهروكيميائية. ويعتقد الباحثون أن تحسين أداء المحفز يمكن أن يساعد في جعل التكنولوجيا أكثر عملية لتطبيقات العالم الحقيقي، بما في ذلك الإلكترونيات المحمولة والأجهزة القابلة للارتداء وأنظمة تخزين الطاقة واسعة النطاق. وقال لي: “بالنسبة لعامة الناس، هذا يعني أننا قد نكون أقرب إلى تكنولوجيات الطاقة النظيفة والمستدامة وبأسعار معقولة”. يقول الباحثون إن الدراسة توضح طريقًا محتملاً نحو تخزين الطاقة بتكلفة أقل عن طريق استبدال محفزات المعادن الثمينة بمواد أكثر وفرة مع الحفاظ على أداء كهروكيميائي قوي. سيركز العمل المستقبلي على توسيع استراتيجية تنظيم الدوران البيني المستخدمة في الدراسة واستكشاف ما إذا كانت الأساليب المماثلة يمكنها تحسين تقنيات تحويل الطاقة وتخزينها الأخرى. تم نشر النتائج في Angewandte Chemie International Edition.
تم النشر: 2026-06-13 01:06:00
