دراسة حالة: رغوة التيتانيوم لمحللات المياه الكهربائية PEM

مقدمة

دعمتStanford Advanced Materials (SAM) مؤخرًا مشروعًا بحثيًا جامعيًا في الولايات المتحدة الأمريكية يتطلب رغوة تيتانيوم عالية الجودة كجزء منالمحلل الكهربائي للماء PEM (غشاء التبادل البروتوني).

[1]

التحدي

طلب فريق البحث من SAM المتطلبات التالية:

• ملاءمة المواد لأبحاث PEM - كان على رغوة التيتانيوم أن تثبت ثباتها عند تعريضها لظروف التشغيل الحمضية العالية التي تعتبر نموذجية في المحللات الكهربائية PEM.
• السلامة الهيكلية والمسامية - كان يجب أن تكون الرغوة مستقرة ميكانيكياً مع توفير شبكات مسام مناسبة لتسهيل انتشار الغاز وتشتت المحفز.
• أبعاد العينة على نطاق البحث - تطلب الاختبار إعدادًا تجريبيًا واختبارًا لصفائح من رغوة التيتانيوم (20 سم × 20 سم × 5 مم) في المختبر.

الحل

أوصى المستشارالفني لشركة SAM باستخدام رغوة التيتانيوم TI1816 Titanium Foam، وهو منتج تيتانيوم مسامي فائق الجودة يستخدم على نطاق واسع في تطبيقات الطاقة والكهروكيميائية.

تحتوي رغوةالتيتانيوم من SAM على طبقة أكسيد طبيعية تحميها من التآكل في البيئات الحمضية. أظهرت الرغوة الموردة مساحة سطح عالية ومسامية مفتوحة، مما زاد من استخدام المحفز مع تعزيز إطلاق الهيدروجين والأكسجين بشكل فعال.

النتائج

نجحت المجموعة البحثية في استخدام رغوة التيتانيوم من SAM في أنشطة البحث والتطوير التي تتضمن المحلل الكهربائي للماء PEM. وكانت النتائج الأولية:

• التحقق من صحة رغوة التيتانيوم كركيزة مناسبة - أثبتت المادة إمكانية استخدامها كدعامة للإلكترود الكهربائي، وتلبية المتطلبات الهيكلية والمقاومة للتآكل.
• تعزيز الفعالية البحثية - سمحت الأبعاد الدقيقة بالاندماج المباشر في مجموعات الاختبار دون الحاجة إلى عمليات تصنيع إضافية.
• تمكين البحث والتطوير في مجال الطاقة النظيفة - مع شراء رغوة التيتانيوم من شركة SAM-Mitsui, واصل المشروع هدفه لتحسين كفاءة المحلل الكهربائي وأداء إنتاج الهيدروجين.

ما هي رغوة التيتانيوم؟

رغوة التيتانيوم عبارة عن معدن خفيف مسامي ثلاثي الأبعاد يجمع بين المزايا الميكانيكية والكيميائية للتيتانيوم وميزات الأداء الفريدة لبنية الرغوة. يتم تصنيعها باستخدام طرق مثل تعدين المساحيق بتقنيات الحامل الفضائي أو الصب بالتجميد أو التصنيع الإضافي (الطباعة ثلاثية الأبعاد )، والتي تسمح بالتحكم في المسامية وحجم المسام والتجانس الهيكلي.

الميزات الهيكلية

تتميز رغوة التيتانيوم عادةً بمسامية تتراوح بين 40% و80%، ويمكن تعديلها وفقاً للتطبيق المطلوب. يمكن تعديل حجم المسام من عشرات الميكرونات إلى عدة ملليمترات، مما يسمح بخصائص نقل الكتلة حسب الطلب. على الرغم من كونها ذات بنية مفتوحة، فإنّ قوة ضغط رغوة التيتانيوم وصلابتها على الكثافة عالية جداً، ما يجعلها قوية تحت الحمل. يوفر الهيكل المعدني المستمر توصيلًا كهربائيًا جيدًا وبالتالي فهو مناسب كداعم للإلكترود أو جامع للتيار.

الميزات الرئيسية

1. مقاومة التآكل - طلاء التيتانيوم TiO₂ مقاوم للتآكل - طلاء التيتانيوم TiO₂ مقاوم للتحلل الحمضي والتأكسدي.
2. مساحة سطح محددة عالية - يوفر مواقع تفاعل واسعة لتسهيل التفاعلات الكهروكيميائية وترسيب المحفزات.
3. نفاذية للغازات والسوائل - المسام متصلة بحيث يمكن أن يكون إطلاق الغاز وكذلك نقل الماء فعالاً.
4. بنية منخفضة الكثافة - كثافة أقل مقارنةً بالتيتانيوم الصلب ولكنها تحتفظ بالقوة المطلوبة.
5. التوافق الحيوي - غير سام ومتوافق مع الأنظمة البيولوجية، وبالتالي يُستخدم بشكل متساوٍ في التطبيقات الطبية الحيوية.

تطبيقات رغوة التيتانيوم

• الطاقة والكيمياء الكهربائية: تُستخدم رغوة التيتانيوم كركائز أنود ودعامات محفزات ومجمعات تيار في المحللات الكهربائية للماء PEM وكم جالات تدفق وطبقات انتشار الغاز في خلايا الوقود. كما تُستخدم أيضاً كسقالات موصلة في بطاريات الليثيوم أيون وبطاريات الحالة الصلبة.
• الهندسة الطبية الحيوية: تعمل رغوة التيتانيوم في سقالات العظام وزراعات العظام على تحسين التكامل العظمي وفي الأطراف الصناعية للأسنان والزراعات الجراحية بسبب توافقها الحيوي وصلابتها.
• المعالجة الكيميائية والحفز الكيميائي: يُستخدم كدعامة محفزة في تفاعلات الهدرجة والأكسدة وفي المرشحات الكهروكيميائية والمفاعلات التي تتطلب مقاومة التآكل.
• الفضاء والدفاع: توفر رغوة التيتانيوم أعضاء هيكلية خفيفة الوزن ومقاومة للتآكل ومركبات الإدارة الحرارية للتطبيقات الفضائية.

لماذا رغوة التيتانيوم وليس مواد أخرى؟

في اختيار مواد الأقطاب الكهربائية والركيزة لمحللات الماء PEM، هناك العديد من الخيارات، ولكن رغوة التيتانيوم لها مزايا معينة:

لمزيد من المعلومات والمواد المتقدمة، يُرجى مراجعة Stanford Advanced Materials (SAM).

ما هي رغوة التيتانيوم TI1816 من SAM؟

إنّ رغوة التيتانيوم TI1816 هي مادة تيتانيوم مسامية فريدة من نوعها توفرها شركة Stanford Advanced Materials. يتم توفيرها بأبعاد صفائح وسماكات ومعدلات مسامية خاصة لتلبية متطلبات العملاء الخاصة، ويتم تصنيعها بدرجة نقاء عالية وتجانس هيكلي عالية، وهي مناسبة بشكل خاص للبيئات الصعبة مثل التحليل الكهربائي، والحفز، والأبحاث الطبية الحيوية.

الخلاصة

من خلال هذا التعاون، قدمت Stanford Advanced Materials رغوة التيتانيوم المصممة خصيصاً لأبحاث التحليل الكهربائي للماء PEM. بدءاً من تلبية متطلبات المشروع الهيكلية ومتطلبات مقاومة التآكل إلى توفير أبعاد دقيقة، أثبتت SAM نفسها كمتعاون موثوق به لكل من العملاء الصناعيين والأكاديميين.

المرجع:

[1] Lettenmeier, Philipp & Gago, Aldo & Friedrich, K. (2017). الطلاءات الواقية للألواح ثنائية القطب منخفضة التكلفة ومجمعات التيار للأغشية الكهربائية لتبادل البروتونات لتخزين الطاقة على نطاق واسع من مصادر الطاقة المتجددة. 10.5772/intechopen.68528.