بهترین فلز برای تولید هیدروژن کدام است؟

چرا انتخاب فلز در تولید هیدروژن اهمیت دارد؟

تولید هیدروژن یکی از ارکان آینده‌ی انرژی پاک جهان است. اما برای رسیدن به هیدروژن سبز، یعنی هیدروژنی که از الکترولیز آب با استفاده از انرژی تجدیدپذیر تولید می‌شود، انتخاب فلز مناسب برای الکترودها و کاتالیزورها اهمیت حیاتی دارد.
فلزات در این فرآیند، نقش قلب سیستم را دارند: آن‌ها در واکنش الکتروشیمیایی شکستن مولکول آب (H₂O) به هیدروژن (H₂) و اکسیژن (O₂) مشارکت می‌کنند.

اگر فلز انتخابی مناسب نباشد، بازده الکترولیز پایین آمده، انرژی بیشتری مصرف می‌شود و هزینه‌ی تولید افزایش می‌یابد. از سوی دیگر، فلزی که پایداری کافی نداشته باشد، در محیط‌های اسیدی یا قلیایی دچار خوردگی شده و عمر سیستم را کاهش می‌دهد. بنابراین، انتخاب فلز کاتالیستی تعادلی بین سه عامل اصلی است:

1. کارایی الکتروشیمیایی (فعالیت در واکنش HER)

2. دوام و مقاومت در برابر خوردگی

3. هزینه و صرفه اقتصادی

روش‌های اصلی تولید هیدروژن و نقش فلزات در آن‌ها

سه روش اصلی برای تولید هیدروژن وجود دارد:

1. اصلاح گاز طبیعی (Steam Reforming) – متداول اما آلاینده و وابسته به سوخت فسیلی.

2. تولید زیستی (Biological Hydrogen Production) – نوآورانه ولی هنوز در مقیاس صنعتی پایدار نیست.

3. تولید هیدروژن با الکترولیز آب (Water Electrolysis) – پاک‌ترین روش، که در آن جریان برق مولکول آب را تجزیه می‌کند.

در روش سوم، فلزات به‌عنوان الکترودهای تولید هیدروژن و کاتالیزورهای واکنش تکامل هیدروژن (HER) نقش کلیدی دارند. در آند، اکسیژن آزاد می‌شود و در کاتد، هیدروژن تولید می‌گردد. فلز مورد استفاده در این بخش‌ها باید واکنش‌پذیری بالا، رسانایی الکتریکی مناسب و مقاومت شیمیایی طولانی‌مدت داشته باشد.

تعریف واکنش تکامل هیدروژن (HER)

واکنش تکامل هیدروژن (Hydrogen Evolution Reaction) فرآیند کاهش یون‌های هیدروژن (H⁺) یا آب به گاز H₂ است.
در محیط اسیدی، واکنش به‌صورت زیر انجام می‌شود:

2H⁺ + 2e⁻ → H₂

و در محیط قلیایی:

2H₂O + 2e⁻ → H₂ + 2OH⁻

فلزات با انرژی فعال‌سازی پایین‌تر باعث می‌شوند این واکنش سریع‌تر انجام شود. بنابراین، انتخاب فلز مناسب برای کاهش انرژی فعال‌سازی و افزایش بازده تولید هیدروژن ضروری است.

ویژگی‌های فلز مناسب برای واکنش تکامل هیدروژن (HER)

فلزی که برای تولید هیدروژن به‌کار می‌رود باید ویژگی‌های زیر را داشته باشد:

• پتانسیل الکترود مناسب: نزدیک به صفر ولت در مقابل الکترود استاندارد هیدروژن.

• رسانایی بالا: برای انتقال سریع الکترون‌ها.

• پایداری در pH مختلف: مقاومت در برابر خوردگی در محیط‌های اسیدی و قلیایی.

• قابلیت تشکیل پیوند H–M متعادل: اگر این پیوند خیلی ضعیف باشد، جذب پروتون سخت می‌شود؛ اگر خیلی قوی باشد، آزادسازی هیدروژن دشوار می‌گردد.

• هزینه پایین و دسترسی آسان.

بررسی عملکرد فلزات مختلف در تولید هیدروژن

۱. پلاتین (Pt): استاندارد طلایی HER

پلاتین از نظر فعالیت الکتروشیمیایی بهترین فلز برای واکنش تکامل هیدروژن است.
مزایا:

• کمترین انرژی فعال‌سازی

• راندمان بالا (بیش از ۹۰٪)

• عملکرد عالی در محیط‌های اسیدی

معایب:

• بسیار گران (چند هزار دلار در هر کیلوگرم)

• کمیاب و وابسته به منابع خاص

• حساس به سموم سطحی (مثل CO)

بنابراین، اگرچه پلاتین بهترین عملکرد فنی را دارد، اما از نظر اقتصادی برای استفاده گسترده مقرون‌به‌صرفه نیست.

۲. ایریدیوم (Ir) و رودیوم (Rh): پایداری بالا، هزینه‌ی گزاف

این فلزات نیز عملکرد بسیار خوبی در محیط‌های اسیدی دارند و مقاومت شیمیایی آن‌ها فوق‌العاده است.
اما هزینه بالا و دسترسی محدود باعث شده تنها در سیستم‌های خاص (مثل الکترولایزرهای PEM پیشرفته) مورد استفاده قرار گیرند.

۳. نیکل (Ni): قهرمان اقتصادی در محیط قلیایی

آلیاژهای نیکل برای تولید هیدروژن از مهم‌ترین موضوعات در تحقیقات انرژی پاک هستند. نیکل نسبتاً ارزان، فراوان و پایدار در محیط قلیایی است.
ویژگی‌ها:

• رسانایی بالا

• مقاومت در برابر خوردگی

• بازده قابل قبول (۶۵–۷۵٪)

• قابلیت آلیاژ شدن با فلزات دیگر برای بهبود عملکرد

نیکل در سیستم‌های Alkaline Electrolyzer پرکاربردترین فلز است و در مقیاس صنعتی انتخاب اول محسوب می‌شود.

۴. مولیبدن (Mo): جایگزین هوشمند پلاتین

مولیبدن در ترکیباتی مانند MoS₂ (دی‌سولفید مولیبدن) یا MoP (فسفید مولیبدن) به‌عنوان کاتالیزور تولید هیدروژن به‌کار می‌رود.
مزایا:

• بازده نزدیک به پلاتین

• قیمت بسیار پایین‌تر

• قابلیت استفاده در محیط‌های اسیدی و قلیایی

همچنین ترکیبات Ni–Mo یکی از بهترین جایگزین‌های پلاتین هستند که ترکیب پایداری و فعالیت بالا را ارائه می‌دهند.

۵. کبالت (Co) و آهن (Fe): فلزات پایه برای آینده

کبالت و آهن هر دو در آلیاژهای ترکیبی با نیکل و مولیبدن کاربرد دارند.

• کبالت موجب افزایش رسانایی و پایداری سطحی می‌شود.

• آهن به کاهش هزینه و افزایش فعالیت در محیط قلیایی کمک می‌کند.

در بسیاری از پژوهش‌های جدید، آلیاژ Ni–Co–Fe نتایج بسیار مطلوبی در پایداری الکترود و راندمان نشان داده است.

نقش آلیاژها و نانوساختارهای فلزی در بهبود بازده تولید هیدروژن

در سال‌های اخیر، نانوساختارهای فلزی توجه زیادی جلب کرده‌اند، زیرا سطح فعال فلز را تا چندین برابر افزایش می‌دهند.
افزایش سطح تماس میان الکترولیت و کاتالیزور باعث می‌شود واکنش HER با سرعت و بازده بالاتری انجام شود.

نمونه‌ها:

• نانوذرات نیکل روی گرافن

• نانوآلیاژ Ni–Mo با ساختار متخلخل

• نانولایه‌های کبالت–مولیبدن

این ساختارها موجب کاهش مصرف فلزات گران‌قیمت و افزایش طول عمر الکترود می‌شوند.

پژوهش‌های جدید در زمینه کاتالیزورهای غیرپلاتینی

دانشگاه‌ها و مراکز تحقیقاتی در سراسر جهان در حال توسعه‌ی کاتالیزورهای ارزان و کارآمد هستند.
برخی روندهای نوین عبارت‌اند از:

• کاتالیزورهای دو فلزی (Bimetallic) مانند Ni–Fe و Co–Mo

• کاتالیزورهای نانوساختار سه‌بعدی با سطح تماس بسیار بالا

• پوشش‌های محافظ سرامیکی یا کربنی برای افزایش طول عمر الکترود

• استفاده از مواد دوبعدی مانند گرافن برای افزایش رسانایی و کاهش چسبندگی گاز

پژوهش‌ها نشان می‌دهند که آلیاژ نیکل–مولیبدن می‌تواند تا ۸۰٪ از عملکرد پلاتین را با یک‌دهم هزینه ارائه دهد.

پایداری فلزات در دما و pH مختلف

پایداری فلزات در شرایط مختلف یکی از مهم‌ترین عوامل در انتخاب صنعتی است.

• در محیط اسیدی (pH پایین): پلاتین، ایریدیوم و رودیوم بهترین عملکرد را دارند.

• در محیط قلیایی (pH بالا): نیکل، مولیبدن و کبالت عملکرد مطلوبی نشان می‌دهند.

افزایش دما تا حدود ۷۰°C معمولاً بازده واکنش را بالا می‌برد، اما ممکن است باعث تسریع خوردگی در فلزات ارزان‌تر شود.

مزایای اقتصادی نیکل در مقیاس صنعتی

نیکل علاوه‌بر عملکرد مناسب، از نظر اقتصادی نیز جذاب است:

• قیمت حدود ۹۵٪ کمتر از پلاتین

• دسترسی گسترده در بازار جهانی

• امکان بازیافت آسان از الکترودهای مستعمل

• طول عمر بالا در محیط قلیایی

• سازگاری با سیستم‌های الکترولیز موجود

به همین دلیل، اکثر کارخانه‌های تولید هیدروژن قلیایی در جهان از الکترودهای نیکل یا آلیاژهای Ni–Mo استفاده می‌کنند.

تأثیر ساختار نانو و پوشش‌دهی سطح در فعالیت کاتالیستی

یکی از جدیدترین فناوری‌ها، پوشش‌دهی سطح الکترود با نانولایه‌های محافظ یا فعال است.
به‌عنوان مثال:

• پوشش نیکل–فسفر (Ni–P) باعث افزایش پایداری در محیط اسیدی می‌شود.

• استفاده از نانوکربن یا گرافن رسانایی سطح را افزایش داده و چسبندگی گاز هیدروژن را کاهش می‌دهد.

• طراحی سطوح متخلخل (Porous) موجب افزایش تعداد سایت‌های فعال واکنشی می‌شود.

این نوآوری‌ها مسیر آینده‌ی کاتالیزورهای نسل جدید هیدروژن سبز را شکل می‌دهند.

چالش‌های صنعتی در انتخاب فلز مناسب

1. خوردگی و تخریب سطحی در طول‌مدت

2. هزینه بالای فلزات نجیب و محدودیت منابع

3. نیاز به تعادل بین کارایی و دوام در محیط‌های متفاوت

4. سازگاری با طراحی سیستم‌های موجود الکترولایزرها

5. تأثیر ناخالصی‌ها و آلودگی‌های سطحی بر فعالیت کاتالیزوری

برای مقابله با این چالش‌ها، ترکیب پوشش‌دهی نانویی، آلیاژسازی هوشمند و بازیافت فلزات رویکردی مؤثر محسوب می‌شود.

نتیجه‌گیری: بهترین گزینه فلزی برای تولید هیدروژن سبز

اگرچه پلاتین همچنان از نظر علمی بهترین فلز برای واکنش تکامل هیدروژن است، اما هزینه‌ی بالای آن استفاده‌ی صنعتی را محدود کرده است.
در عمل، نیکل و آلیاژهای نیکل–مولیبدن (Ni–Mo) بهترین تعادل را میان بازده، پایداری و صرفه اقتصادی ارائه می‌دهند.

به‌ویژه در سیستم‌های الکترولیز قلیایی، نیکل به‌دلیل مقاومت بالا، قیمت پایین و عملکرد مناسب، انتخاب نخست صنایع است.
در پژوهش‌های جدید نیز نشان داده شده است که آلیاژ Ni–Mo با طراحی نانوساختاری می‌تواند بازدهی را تا بیش از ۸۰٪ عملکرد پلاتین افزایش دهد و هزینه تولید را تا ۵۰٪ کاهش دهد.

بنابراین، پاسخ به پرسش

بهترین فلز برای تولید هیدروژن کدام است؟
این است:
در محیط‌های صنعتی قلیایی، نیکل و آلیاژهای Ni–Mo بهترین گزینه هستند؛
در محیط‌های آزمایشگاهی اسیدی یا کاربردهای خاص، پلاتین همچنان بی‌رقیب است.

سوالات متداول

۱. آیا پلاتین هنوز بهترین فلز برای الکترولیز است؟
بله، از نظر عملکرد فنی، پلاتین بهترین است، اما هزینه بسیار بالا و کمیاب بودن آن مانع استفاده‌ی صنعتی گسترده می‌شود.

۲. آیا فلزات جایگزین پلاتین بازده مشابهی دارند؟
آلیاژهای Ni–Mo و ترکیبات مولیبدن (MoS₂، MoP) بازدهی نزدیک به پلاتین دارند اما با هزینه بسیار کمتر.

۳. عمر مفید الکترودهای نیکل چقدر است؟
در سیستم‌های صنعتی قلیایی، معمولاً بین ۵ تا ۱۰ سال بسته به شرایط عملیاتی دوام دارند.

۴. آیا فلزات مورد استفاده قابل بازیافت هستند؟
بله، تا حدود ۹۵٪ فلزات مانند نیکل و پلاتین قابل بازیافت از الکترودهای مستعمل هستند.

۵. آیا استفاده از فلزات پایه باعث کاهش بازده نمی‌شود؟
خیر، با طراحی مناسب نانوساختار و آلیاژسازی، فلزات پایه می‌توانند بازده نزدیک به فلزات گران‌قیمت ارائه دهند.