وداعًا للغرافين وأهلًا بالصوديوم المدمج بالكربون
ثورة في التوصيل الكهربائي
قام فريق من الباحثين بقيادة يونج هانج ، تشارلز وكارول ماك أرثر أساتذة علوم وهندسة المواد بجامعة Michigan بتصميم طريقة جديدة لدمج جزيئات الصوديوم مع النانو كربون، في السابق كانت المادة ( Sodium-embedded carbon الصوديوم المدمج في الكربون) نظرية فقط.
أفضل من الجرافين:
تلك المادة الجديدة لها توصيلية كهربية أعلى ومساحة سطحية أكبر التي تعتبر من متطلبات المواد المثالية كأقطاب كهربية في أجهزة الطاقة. الكربون غير المتبلور له توصيلية ضعيفة لكن مساحة سطحية كبيرة، الجرافيت بالمقابل له توصيلة عالية لكن مساحة سطحية صغيرة.
الجرافين ثلاثي الأبعاد له الخصائص الأفضل في كل من الكربون والجرافيت لكن الـ sodium-embedded carbon أفضل بكثير.
تلك المادة لها ضعف التوصيلية للجرافين ثلاثي الأبعاد ولها مساحة سطحية أكبر أيضًا.
وتلك المادة تختلف عن الـ metal-doped carbon الذي يحوي معادن تكوّن على سطح الكربون وتتأكسد بسهولة.
لكن دمج الصوديوم يُساعد على حمايته مما ينتج عنه أيضًا مادة رائعة. وقام هو Hu وفريقه باختراع عملية جديدة حيث استخدموا تفاعل يتم التحكم في حرارته ويكون بين معدن الصوديون وأول أكسيد الكربون لإنتاج مسحوق الكربون أسود الذي يحتوي على ذرات الصوديوم.
وبمزيد من الأبحاث بالتعاون مع باحثين من جامعة ميتشجن و جامعة أوستن بتكساس استنتجوا أن الصوديون المدمج مع الكربون أفضل من الصوديوم الموجود على سطح الكربون.
إن كمية صغيرة من الصوديون المدمج مطلوب لإنتاج توصيلية عالية للكربون مما يجعله يمثل قطب ثنائي مثالي لأجهزة الطاقة مثل خلايا الطاقة الشمسية والمكثفات الفائقة.
الخلايا الشمسية:
الخلايا الشمسية ذات الصبغة الحساسة هي بديلة لألواح السيليكون الشائعة في توليد الكهرباء من الطاقة الشمسية والبلاتينيوم هو المادة المستخدمة كقطب ثنائي في الخلايا الشمسية ذات الصبغة الحساسة.
ويقول دكتور هو «الصوديوم المدمج في الكربون هو أرخص وأكثر كفاءة من البلاتينيوم في الخلايا الشمسية»
في الخلايا الشمسية ذات الصبغة الحساسة كل 10% تجعل الأجهزة تعمل بكفاءة أكبر واقتصادية أكثر. وفي دراسة كشفت أن الخلايا الشمسية البلاتينية وصلت إلى كفاءة 7.89% بينما في المقابل وصلت الخلايا الشمسية التي تعمل بالصوديوم المدمج في الكربون إلى كفاءة 11.03%.
المكثفات الفائقة:
تستطيع المكثفات الفائقة إرسال واستقبال الشحنات أسرع من البطاريات وهي مثالية للسيارات والقطارات والمصاعد وغيرها من المعدات. قوة الصدمة الكهربية لها تُقاس بوحدة الفاراد Farads (F) وكثافتها بالغرامات grams (g).
الكربون المفعل شائع الاستخدام في المكثفات الفائقة وهو يولد صدمة كهربية مقدارها
71 F g^-1والجرافين ثلاثي الأبعاد يولد صدمة كهربية مقدارها 112 F g^-1 بينما الصوديوم المدمج في الكربون يطيح بهم إذا يولد صدمة كهربية مقدارها 145 F g^-1 وبعد 5000 دورة شحن وتفريغ يحتفظ بكفاءة 96.4% مما يعني استقرارًا للقطب الثنائي.
البطاريات وما بعدها:
يقول دكتور هو «الخطوة التالية في بحثنا هي تقييم المادة في أجهزة طاقة أخرى وسنعمل نظريًا وعمليًا مما سيعطينا فرصة كبيرة لإنتاج مواد جديدة.»
ويستكمل قائلاً «ان التطور الهائل في أجهزة الطاقة هو طلب مُلح» وهو يرى أيضًا أن للصوديوم المدمج في الكربون مسقبلًا هائلًا في تكنولوجيا الطاقة الشمسية، البطاريات والمكثفات الفائقة.
تم نشر البحث في مجلة Nano Letters
إعداد: بيتر ميلاد
تدقيق:أسمى شعبان
المصدر
