طور باحثون في معهد جامعة كيوتو لعلوم المواد الخلوية (iCeMS) نهجًا جديدًا لتسريع تحرك ذرات الهيدروجين عبر بنية شبكية بلورية في درجات حرارة منخفضة.
يقول هيروشي كاجياما من iCeMS الذي قاد الدراسة: "قد يؤدي تحسين نقل الهيدروجين في المواد الصلبة إلى مصادر طاقة أكثر استدامة".
يمكن أن تتحرك "الأنيونات" الهيدروجينية سالبة الشحنة بسرعة كبيرة خلال مادة صلبة "هيدريد" ، والتي تتكون من ذرات الهيدروجين المرتبطة بعناصر كيميائية أخرى. يعتبر هذا النظام منافسًا واعدًا للطاقة النظيفة ، لكن النقل السريع يحدث فقط في درجات حرارة عالية جدًا ، فوق 450 درجة مئوية. اكتشف كاجياما وفريقه كيفية جعل أنيون الهيدروجين يسافر بشكل أسرع عبر الهيدريد في درجات حرارة أقل بكثير.
يقول كاجياما: "في الماضي ، كان يُعتقد أن مفتاح التوصيل الأيوني العالي عند درجة حرارة منخفضة هو تثبيت مرحلة ارتفاع درجة حرارة المادة عن طريق إحداث اضطراب كيميائي". يقوم العلماء بذلك عن طريق إضافة مركبات تحتوي على الأكسجين تسمى أكاسيد في الهيكل. وبدلاً من ذلك ، أدخل كاجياما وزملاؤه بنية مرتبة في بلورة هيدريد الباريوم ، مما تسبب في تحرك أنيون الهيدروجين بشكل أسرع حتى عند 200 درجة مئوية.
يقول كاجياما: "إن تحقيق الموصلية الأيونية العالية في درجات حرارة منخفضة عن طريق طلب الأنيونات هو أمر غير مسبوق وقد يكون قابلاً للتطبيق على العديد من الموصلات الأيونية في المستقبل".
قام كاجياما وفريقه بتغيير هيكل هيدريد الباريوم النموذجي عن طريق إدخال طبقات على كلا الجانبين تتكون من الهيدروجين مرتبطة بأنيون آخر. من خلال القيام بذلك ، صنعوا ثلاث مواد مختلفة ، باستخدام أنيون البروميد أو الكلوريد أو اليوديد. قدم هذا بنية أكثر تنظيمًا للمادة الأصلية ، مما منعها من التغيير من الشبكة ذات الشكل السداسي المستقر للغاية والمتماثل والتي توجد عادةً في درجات حرارة عالية ، إلى هيكل على شكل تقويم العظام أقل ثباتًا أثناء تبريدها. تحركت أنيونات الهيدروجين عبر الشبكة المنظمة بسرعة كبيرة عند 200 درجة مئوية. حتى أن المادة قامت بتوصيل أنيونات الهيدروجين في درجة حرارة الغرفة ، وإن كان ذلك بمعدل أبطأ.
"تحسين توصيل أنيون الهيدروجين إلى الغرفة درجات الحرارة يمكن أن تمكن من تشغيل الأجهزة الكهروكيميائية في درجات حرارة منخفضة ، مثل خلايا الوقود ، وتفتح طرقًا لاستخدامها كمحفزات صناعية أو كمصادر هيدروجين صلبة لتفاعلات الهدرجة ، "يقول كاجياما.