المترجم : أبو طه / عدنان أحمد الحاجي
لقد صمم باحثون في جامعة ستانفورد آلية كهروكيميائية electrocatalytic يستخدم  فيها عامل محفز  catalyst (للمزيد من المعلومات ، راجع ١) وهذه الألية  تعمل كرئة ثديات لتحويل الماء إلى وقود. يمكن أن يساعد بحثهم هذا، الذي نشر في ٢٠ ديسمبر في مجلة جول Joule، على مساعدة جعل تكنولوجيات الطاقة النظيفة الموجودة لتعمل بشكل أكثر كفاءة.

الشهيق والزفير هما فعلان تلقائيان (عفويان) حتى بالنسبة لمعظم الكائنات الحية التي يمكن أن تُتوهم على أنها بسيطة، ولكن عملية التنفس عند الثدييات هي في الواقع واحدة من أكثر الأنظمة تطوراً لتبديل ذات اتجاهين  للغازات  موجودة في الطبيعة. مع كل نفس، يتحرك الهواء عبر الشعيبات الهوائية الصغيرة الشبيهة بالمسلك (قناة) في الرئتين حتى تصل إلى أكياس مصغرة جداً تسمى الحويصلات الهوائية. من هناك، يجب أن يمر الغاز إلى مجرى الدم دون أن ينبث ببساطة، مما قد يتسبب في تكوين فقاعات ضارة. إنها بنية فريدة من نوعها من الحويصلات الهوائية - بما في ذلك غشاء بسمك  ميكرون واحد التي  تطرد (تكره) جزيئات الماء في الداخل في حين تجذبها على السطح الخارجي - مما يمنع هذه الفقاعات من التشكل ويجعل عملية تبديل الغازات عملية ذات كفاءة عالية.

 الباحثون في مختبر يوي تسوي المؤلف الرئيس للورقة  في قسم علوم وهندسة المواد في جامعة ستانفورد استلهموا من  هذه العملية من أجل تطوير عامل محفز مستخدم للتفاعلات الكهروكيميائية  electrocatalysts. أفضل : وهي المواد التي تزيد من معدل التفاعل الكيميائي عند الإكترود (القطب الكهربائي). يقول جون لي، المؤلف الأول للدراسة: "أثبتت تقنيات الطاقة النظيفة قدرة توصيل المادة المتفاعلة الغازية بسرعة إلى واجهة التفاعل، ولكن المسار العكسي —  إنبعاث منتج الغاز من واجهة المحفز / الإكتروليت — لا تزال تمثل تحديًا". .

تحاكي الآلية التي صممها الفريق بنية الحويصلة الهوائية وتقوم بتنفيذ عمليتين مختلفتين لتحسين التفاعلات التي تدفع بالتكنولوجيات المستدامة مثل. بطاريات خلايا الوقود وبطاريات أكسدة  المعدن بالهواء ( تعريف من خارج النص: البطارية التي تستخدم أكسدة المعدن بالأكسجين من الهواء لإنتاج الكهرباء ) إلى الأمام .

العملية الأولى مشابهة لعملية الزفير. الآلية تشطر (فلق) الماء لإنتاج غاز الهيدروجين، وهو وقود نظيف، عن طريق أكسدة جزيئات الماء في أنود ( قطب موجب)  البطارية مع اختزالها  في الكاثود (القطب السالب).  يُنتج غاز الأكسجين (إلى جانب غاز الهيدروجين) ويُنقل بسرعة من خلال غشاء رقيق شبيه للحويصلة الهوائية  مصنوع من البولي إيثيلين - بدون خسارة الطاقة لتكوين الفقاعات.

العملية الثانية هي أشبه بالشهيق وتولد الطاقة من خلال تفاعل يستهلك الأوكسجين. يُوصَل غاز الأكسجين إلى المحفز على سطح الإكترود (القطب) ، لذلك يمكن استخدامه كمادة متفاعلة  reactant (داخلة في التفاعل) خلال التفاعلات الكهروكيميائية.
على الرغم من أنه لا يزال في المراحل الأولى من التطوير، يبدو التصميم واعدًا. يبقى غشاء النانو بولي إيثيلين الرقيق بشكل غير مألوف طارداً (كارهاً)  للماء لفترة أطول من طبقات إنبثاث الغاز المصنوعة من  الكربون، وهذا النموذج قادر على تحقيق معدلات كثافة تيار أعلى وفرط جهد أقل عن التصميمات االتقليدية الأخرى.

ومع ذلك ، فإن هذا التصميم المستوحى من الرئة لا يزال يحتاج  إلى التحسين قبل أن يكون جاهزًا للاستخدام التجاري. بما أن غشاء نانو بولي إيثيلين هو عبارة عن فيلم بوليمر، فإنه لا يمكنه تحمل درجات حرارة أعلى من ١٠٠ درجة مئوية، مما قد يحد من تطبيقاته صناعياً. ويعتقد الفريق أن هذه المادة يمكن استبدالها بأغشية ذات مسام نانوية  طاردة (كارهة) للماء رقيقة مماثلة للأولى قادرة على تحمل حرارة أعلى. كما ان الباحثين  مهتمون بدمج  تفاعلات كهروكيميائية المستخدمة  للمحفز أخرى في تصميم الجهاز لاستكشاف قدراتها التحفيزية بشكل كامل.

يقول جون لي: "يمكن أن تُقرن البنية الشبيه بالتنفس بالعديد من  التفاعلات الكهروكيميائية المستخدمة  للعوامل المحفزة   المتطورة الأخرى، كما أن المزيد من استكشاف الإكترود الثلاثي الأطوار من الغار والسائل والصلب يوفر فرصًا مثيرة للعوامل المحفزة catalysis".

مصدر من خارج النص؛
١- https://en.m.wikipedia.org/wiki/Electrocatalyst
المصدر الرئيسي للدراسة:
https://www.eurekalert.org/pub_releases/2018-12/cp-ald121318.php