أصبح من السهل إزالة اليوريا من المياه الملوثة

هل يعتبر مزيج النيكل والكوبالت مفتاحًا للهيدروجين الأخضر من اليوريا؟

ابتكر علماء في معهد ورسستر للفنون التطبيقية مادة رائدة مصممة لاستخلاص اليوريا من الماء وتحويلها إلى غاز الهيدروجين. يعتمد هذا النهج المبتكر على تصنيع مواد باستخدام ذرات النيكل والكوبالت ذات بنى إلكترونية مصممة بدقة. يتيح هذا التطور استخدام أكاسيد وهيدروكسيدات المعادن الانتقالية لأكسدة اليوريا بشكل انتقائي في تفاعل كيميائي كهربائي.

نشر الفريق، بقيادة شياووي تنغ، أستاذ جيمس هـ. مانينغ للهندسة الكيميائية في معهد ووستر للتقنية، نتائجه مؤخرًا في مجلة رسائل الكيمياء الفيزيائية، وحازت على مكانة بارزة على الغلاف الأمامي التكميلي للنشر. تلعب اليوريا، وهي سماد نيتروجيني زراعي اقتصادي ومنتج ثانوي طبيعي لعملية الأيض البشري، دورًا مزدوجًا في التأثير البيئي.

تساهم مياه الصرف الزراعي الغنية باليوريا وتصريف مياه الصرف الصحي البلدية في زيادة المغذيات، مما يؤدي إلى ازدهار الطحالب الضارة وظهور مناطق ميتة تعاني من نقص الأكسجين، مما يشكل تهديدًا للأنظمة البيئية المائية وصحة الإنسان. ومع ذلك، فإن الخصائص الفريدة لليوريا تجعلها أيضًا خيارًا واعدًا لتخزين الهيدروجين، مما يوفر حلاً محتملاً لإنتاج الهيدروجين عند الطلب.

تتميز اليوريا بخصائص غير سامة، وذوبانها العالي في الماء، ومحتوى هيدروجيني كبير (6.7% وزناً). وبالتالي، يُعدّ استخدام اليوريا في التحليل الكهربائي لإنتاج الهيدروجين أكثر كفاءة في استخدام الطاقة واقتصاداً من التحليل الكهربائي التقليدي للماء.

من التحديات المستمرة في التحليل الكهربائي لليوريا نقص المحفزات الكهربائية عالية الكفاءة وبأسعار معقولة، القادرة على أكسدة اليوريا انتقائيًا بدلًا من الماء. وقد واجه تينغ وفريقه هذه العقبة بتطوير محفزات كهربائية مكونة من ذرات نيكل وكوبالت متفاعلة تآزريًا ذات هياكل إلكترونية فريدة، مما يُسهّل الأكسدة الكهربائية الانتقائية لليوريا.

ركزت أبحاث فريق WPI على أكاسيد وهيدروكسيدات النيكل والكوبالت المتجانسة، مؤكدة على الدور الحاسم للهياكل الإلكترونية المصممة مع الأنواع السائدة من Ni2 + و Co3 + لتعزيز النشاط الكهروكيميائي والانتقائية لأكسدة اليوريا.

أوضح تينغ قائلاً: "يُعد هذا التكوين الإلكتروني عاملاً محورياً في تحسين انتقائية أكسدة اليوريا. تُسهّل تكافؤات النيكل العالية، مثل Ni3+، تفاعلاً سريعاً مع تيار كهربائي قوي، إلا أن جزءاً كبيراً من التيار ناتج عن أكسدة الماء غير المرغوب فيها".

بالتعاون مع آرون ديسكينز، أستاذ الهندسة الكيميائية في معهد ورسيستر للبوليمرات، أجرى الباحثون عمليات محاكاة حاسوبية لاكتساب فهم أعمق. أظهرت النتائج أن الخلط المتجانس لأكاسيد وهيدروكسيدات النيكل والكوبالت يُحسّن إعادة توزيع الإلكترونات، مما يُهيئ بيئةً أكثر ملاءمةً لتفاعل محفزات النيكل/الكوبالت مع جزيئات اليوريا والماء.

اليوريا، وهي سماد نيتروجيني رئيسي ومضاف علفي، تُنتج تجاريًا منذ عشرينيات القرن الماضي، حيث صُنع منها ما يقارب 180 مليون طن متري في عام 2021. ومن المثير للاهتمام أنه يمكن أيضًا استخلاص اليوريا من مصادر طبيعية، حيث ينتج الإنسان البالغ 1.5 لتر من البول يوميًا، أي ما يعادل 11 كجم من اليوريا و0.77 كجم من غاز الهيدروجين سنويًا.

إن لنتائج فريق معهد ورسيستر للفيزياء التطبيقية آثارًا عميقة. فهي قد تمهد الطريق لاستخدام اليوريا في مجاري النفايات لإنتاج وقود الهيدروجين بكفاءة من خلال عملية التحليل الكهربائي. إضافةً إلى ذلك، يتمتع هذا الاكتشاف بإمكانية عزل اليوريا من الماء، مما يُسهم في استدامة النظم البيئية على المدى الطويل، ويُحدث ثورة في العلاقة بين الماء والطاقة.

أصبح هذا العمل الرائد ممكنًا بفضل دعم مؤسسة العلوم الوطنية بموجب جائزة رقم 2236704.