عرض مصدر تفاعل انتاج الهيدروجين

'''تفاعل انتاج الهيدروجين''' (HER) Hydrogen evolution reaction هو تفاعل كيميائي ينتج عنه H<sub>2</sub> .<ref>{{استشهاد بدورية محكمة|عنوان=The Hydrogen Evolution Reaction in Alkaline Solution: From Theory, Single Crystal Models, to Practical Electrocatalysts|صحيفة=Angewandte Chemie International Edition|الأخير=Zheng|الأول=Yao|سنة=2018|المجلد=57|العدد=26|صفحات=7568–7579|الأخير2=Jiao|الأخير3=Vasileff|الأخير4=Qiao|الأول2=Yan|الأول3=Anthony|الأول4=Shi‐Zhang|PMID=29194903|DOI=10.1002/anie.201710556}}</ref> يتطلب تحويل البروتونات إلى H<sub>2</sub> خفض تكافؤها وعادةً يستخدم محفز [[تحفيز|لتحفيز]] هذا التفاعل. في الطبيعة، يتم تحفيز تفاعل انتاج الهيدروجين بواسطة إنزيمات [[هيدروجيناز|الهيدروجيناز]]  . تستخدم [[تحليل كهربائي|المحللات الكهربية]] التجارية عادة معدن [[بلاتين|البلاتين]] كمحفز. تفاعل انتاج الهيدروجين مفيد لإنتاج غاز الهيدروجين، وتوفير وقود نظيف الاحتراق ، لأن احتراق الهيدروجين (اي اتحاد الهيدروجين بالأكسجين) ينتج ماء.<ref>{{استشهاد بدورية محكمة|عنوان=Powering the planet with solar fuel|صحيفة=Nature Chemistry|الأخير=Gray|الأول=Harry B.|سنة=2009|المجلد=1|العدد=1|صفحة=7|bibcode=2009NatCh...1....7G|PMID=21378780|DOI=10.1038/nchem.141}}</ref> ومع ذلك، يمكن أن يكون تفاعل انتاج الهيدروجين أيضًا تفاعلًا جانبيًا غير مرحب به في عمليات اختزال أخرى مثل [[تثبيت النيتروجين]] ، أو الاختزال الكهروكيميائي لثاني أكسيد الكربون <ref>{{استشهاد بدورية محكمة|عنوان=Anticatalytic Strategies to Suppress Water Electrolysis in Aqueous Batteries|صحيفة=Chemical Reviews|الأخير=Sui|الأول=Yiming|سنة=2021|المجلد=121|العدد=11|صفحات=6654–6695|الأخير2=Ji|الأول2=Xiulei|PMID=33900728|DOI=10.1021/acs.chemrev.1c00191}}</ref> أو [[طلي بالكروم|طلاء الكروم]] .

== في التحليل الكهربائي ==
يعد تفاعل انتاج الهيدروجين HER تفاعلًا رئيسيًا يحدث في التحليل [[تحليل كهربائي للماء|الكهربائي للمياه]] لإنتاج الهيدروجين لكل تطبيقات الطاقة في الصناعة، <ref name=":0">{{استشهاد بدورية محكمة|عنوان=Hydrogen production from water electrolysis: role of catalysts|صحيفة=Nano Convergence|مؤلف=Wang|الأول=Shan|تاريخ=December 2021|لغة=en|المجلد=8|العدد=1|صفحة=4|مؤلف2=Lu|مؤلف3=Zhong|issn=2196-5404|الأول2=Aolin|الأول3=Chuan-Jian|ببمد_سنترال=7878665|بيب_كود=2021NanoC...8....4W|pmid=33575919|دوي=10.1186/s40580-021-00254-x|doi-access=free}}</ref> بالإضافة إلى الأبحاث المعملية صغيرة النطاق. ونظرًا لوفرة المياه على الأرض، يشكل إنتاج الهيدروجين عملية قابلة للتطوير لتوليد الوقود. يعد هذا بديلاً [[تعديل البخار|لتعديل غاز الميثان بالبخار]] <ref>{{استشهاد بدورية محكمة|عنوان=Criteria Air Pollutants and Greenhouse Gas Emissions from Hydrogen Production in U.S. Steam Methane Reforming Facilities|صحيفة=Environmental Science & Technology|مسار= https://www.osti.gov/biblio/1546962|مؤلف=Sun|الأول=Pingping|تاريخ=2019-06-18|لغة=en|المجلد=53|العدد=12|صفحات=7103–7113|مؤلف2=Young|مؤلف3=Elgowainy|مؤلف4=Lu|مؤلف5=Wang|مؤلف6=Morelli|مؤلف7=Hawkins|issn=0013-936X|الأول2=Ben|الأول3=Amgad|الأول4=Zifeng|الأول5=Michael|الأول6=Ben|الأول7=Troy|بيب_كود=2019EnST...53.7103S|s2cid=141483589|pmid=31039312|دوي=10.1021/acs.est.8b06197|osti=1546962|مسار أرشيف= https://web.archive.org/web/20231228065849/https://www.osti.gov/biblio/1546962|تاريخ أرشيف=2023-12-28}}</ref> لإنتاج الهيدروجين، الذي ينتج عنه [[غازات دفيئة|انبعاثات غازات دفيئة]] كبيرة، وعلى هذا النحو، يتطلع العلماء إلى تحسين وتوسيع نطاق عمليات التحليل الكهربائي التي لها انبعاثات أقل.

=== آلية التحليل الكهربائي ===
في الظروف الحمضية، يتبع تفاعل تطور الهيدروجين الصيغة التالية:

<chem>2H^+ + 2e^- -> H2</chem>

في الظروف المحايدة أو القلوية، يتبع التفاعل الصيغة التالية:
 
<chem>4H2O + 4e^- -> 2H2 + 4OH^-</chem>

يمكن رؤية هاتين الآليتين في الممارسات الصناعية على جانب الأنود من المحلل الكهربائي حيث يحدث تصاعد الهيدروجين. في الظروف الحمضية، يشار إليه باسم التحليل الكهربائي بغشاء تبادل البروتون أو PEM ، بينما في الظروف القلوية [[امتزاز|يشار]] إليه ببساطة باسم التحليل الكهربائي القلوي . تاريخيًا، كان التحليل الكهربائي القلوي هو الطريقة السائدة بين الاثنين، على الرغم من أن طريقة تبادل البروتون بدأت مؤخرًا في النمو بسبب كثافة التيار الأعلى التي يمكن تحقيقها في التحليل الكهربائي بغشاء تبادل البروتون.<ref>{{استشهاد بدورية محكمة|عنوان=A comprehensive review on PEM water electrolysis|صحيفة=International Journal of Hydrogen Energy|مسار= https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0360319913002607|مؤلف=Carmo|الأول=Marcelo|تاريخ=2013-04-22|المجلد=38|العدد=12|صفحات=4901–4934|مؤلف2=Fritz|مؤلف3=Mergel|مؤلف4=Stolten|issn=0360-3199|الأول2=David L.|الأول3=Jürgen|الأول4=Detlef|دوي=10.1016/j.ijhydene.2013.01.151|مسار أرشيف= https://web.archive.org/web/20240115153527/https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0360319913002607|تاريخ أرشيف=2024-01-15}}</ref>

=== محفزات انتاج الهيدروجين ===
يتم دفع تفاعل انتاج الهيدروجين إلى الأمام بواسطة الكهرباء وتتطلب مدخلات طاقة كبيرة بدون [[تحفيز|محفز]] عالي الكفاءة، والمحفز هو مادة كيميائية تقلل طاقة تنشيط التفاعل دون استهلاكها. في المحلل الكهربائي القلوي، يتم عادةً استخدام محفزات النيكل والحديد لـهذه العملية عند الأنود.<ref name=":2">{{استشهاد بدورية محكمة|عنوان=Comparison between hydrogen production by alkaline water electrolysis and hydrogen production by PEM electrolysis|صحيفة=IOP Conference Series: Earth and Environmental Science|مؤلف=Guo|الأول=Yujing|تاريخ=2019-12-01|المجلد=371|العدد=4|صفحات=042022|مؤلف2=Li|مؤلف3=Zhou|مؤلف4=Liu|issn=1755-1307|الأول2=Gendi|الأول3=Junbo|الأول4=Yong|بيب_كود=2019E&ES..371d2022G|دوي=10.1088/1755-1315/371/4/042022|doi-access=free}}</ref> وتتيح قلوية الإلكتروليت في هذه العمليات استخدام محفزات أقل تكلفة <ref name="مولد تلقائيا2">{{استشهاد بدورية محكمة|عنوان=Hydrogen production from water electrolysis: role of catalysts|صحيفة=Nano Convergence|مؤلف=Wang|الأول=Shan|تاريخ=December 2021|لغة=en|المجلد=8|العدد=1|صفحة=4|مؤلف2=Lu|مؤلف3=Zhong|issn=2196-5404|الأول2=Aolin|الأول3=Chuan-Jian|ببمد_سنترال=7878665|بيب_كود=2021NanoC...8....4W|pmid=33575919|دوي=10.1186/s40580-021-00254-x|doi-access=free}}<cite class="citation journal cs1" data-ve-ignore="true" id="CITEREFWangLuZhong2021">Wang, Shan; Lu, Aolin; Zhong, Chuan-Jian (December 2021). [https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC7878665 "Hydrogen production from water electrolysis: role of catalysts"]. ''Nano Convergence''. '''8''' (1): 4. [[بيب كود|Bibcode]]:[https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2021NanoC...8....4W 2021NanoC...8....4W]. [[معرف الغرض الرقمي|doi]]:<span class="id-lock-free" title="Freely accessible">[[doi:10.1186/s40580-021-00254-x|10.1186/s40580-021-00254-x]]</span>. [[الرقم التسلسلي القياسي الدولي|ISSN]]&nbsp;[[issn:2196-5404|2196-5404]]. [[ببمد سنترال|PMC]]&nbsp;<span class="id-lock-free" title="Freely accessible">[https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC7878665 7878665]</span>. [[ببمد|PMID]]&nbsp;[https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/33575919 33575919].</cite></ref> في المحللات الكهربية لانتاج الهيدروجين، يكون المحفز القياسي لـلتفاعل هو البلاتين المدعوم بالكربون ( Pt/C ) <ref name=":2" /> يُستخدم عند الأنود. يمكن وصف أداء المحفز بمستوى امتزاز الهيدروجين في مواقع الربط على سطح المعدن، بالإضافة إلى [[جهد زائد|القدرة الزائدة]] للتفاعل مع زيادة كثافة التيار الكهربي.<ref name=":0" />

=== التحديات ===
تشكل التكلفة العالية وكميات

الطاقة المستخدمة في التحليل الكهربائي للمياه تحديًا أمام تنفيذ الطاقة الهيدروجينية على نطاق واسع. في حين أن التحليل الكهربائي القلوي شائع الاستخدام، إلا أن سعة كثافته الحالية المحدودة تتطلب مدخلات كهربائية كبيرة، مما يشكل تكلفة ومخاوف بيئية بسبب المحتوى العالي من الكربون في الكهرباء في العديد من البلدان، بما في ذلك [[الولايات المتحدة]].<ref>{{استشهاد ويب|عنوان=Frequently Asked Questions (FAQs) - U.S. Energy Information Administration (EIA)|مسار= https://www.eia.gov/tools/faqs/faq.php|تاريخ الوصول=2023-11-21|صحيفة=www.eia.gov|مسار أرشيف= https://web.archive.org/web/20240130193009/https://www.eia.gov/tools/faqs/faq.php|تاريخ أرشيف=2024-01-30}}</ref> المحفزات الكهربائية المستخدمة في التحليل الكهربائي تمثل المحللات الكهربائية بغشاء تبادل البروتون PEM حاليًا حوالي 5٪ من إجمالي تكلفة العملية، ومع ذلك، مع توسيع نطاق هذه العملية، من المتوقع أن ترتفع تكاليف المحفزات بسبب الندرة وتصبح عاملاً كبيرًا في تكلفة إنتاج الهيدروجين.<ref>{{استشهاد بدورية محكمة|عنوان=Platinum group metal free nano-catalysts for proton exchange membrane water electrolysis|صحيفة=Current Opinion in Chemical Engineering|مؤلف=Liu|الأول=Lifeng|تاريخ=2021-12-01|المجلد=34|صفحات=100743|issn=2211-3398|دوي=10.1016/j.coche.2021.100743|doi-access=free}}</ref> على هذا النحو، تعد المواد البديلة منخفضة التكلفة وعالية الكفاءة والقابلة للتطوير لمحفزات تفاعل انتاج الهيدروجين  HER  و  بواسطة غشاء تبادل البروتون PEM نقطة اهتمام بحثي للعلماء.

==اقرأ أيضا==
*[[غشاء تبادل البروتون]]

== المراجع ==
{{مراجع}}
{{شريط بوابات|الكيمياء}}

[[تصنيف:هندسة طاقية]]
[[تصنيف:تحليل كهربائي]]