يمكن أن تصبح الطاقة الزرقاء ، وهي الطاقة المجانية المفقودة عندما تلتقي مياه البحر المالحة ومياه الأنهار الأقل ملوحة وتختلط في مصبات الأنهار ، مصدرًا مهمًا للكهرباء العالمية في المستقبل. يمكن استخدام الخلط السعوي ، وهو تقنية حديثة تستغل دورة تفريغ الشحنات للمكثفات ، لحصاد هذه الطاقة ولكن تحسين الأجهزة المستخدمة هنا لم يكن بالمهمة السهلة. أظهر الباحثون في فرنسا الآن أن المحاكاة الجزيئية يمكن أن تتنبأ بشكل واقعي بسعة الأجهزة التي تحتوي على مواد كربون نانوية مسامية مثل الأقطاب الكهربائية والمياه المالحة مثل الإلكتروليت. عند التشغيل العكسي ، تعد هذه التقنية أيضًا طريقة فعالة لتحلية المياه في عملية تُعرف باسم إزالة الأيونات بالسعة.

في كل من المزج السعوي (CapMix) وإزالة التأين السعوي (CDI) ، تتمتع الأقطاب الكهربائية المصنوعة من الكربون النانوي بمساحة سطح تلامس أكبر مع الإلكتروليت ، وبالتالي تزيد السعة المحددة للجهاز. وجد الباحثون سابقًا أن سعة المكثفات الفائقة (المعروفة أيضًا باسم المكثفات الكهربائية ذات الطبقة المزدوجة ، أو EDLC) تزداد بشكل غير متوقع عندما يتناقص حجم مسام أقطاب الكربون المشتقة من الكربيد (CDC) المستخدمة في أجهزة تخزين الطاقة هذه إلى حجم أيونات الإلكتروليت. المشكلة هي أن هذه الأجهزة لا تتصرف كما تقترح النماذج عندما يصل حجم المسام في المادة إلى هذا الحجم.

وصف المقياس الجزيئي

"نقطة البداية هي وصف المقياس الجزيئي لجزيئات الماء والأيونات وأقطاب الكربون النانوية المسامية ، مع تمثيل مبسط للتفاعلات بينها ،" يوضح قائد الفريق بنيامين روتنبرغ من المركز الوطني الفرنسي للبحث العلمي (CNRS) وجامعة السوربون في باريس. "نأخذ في الاعتبار سمتين مهمتين: التركيب المعقد لمادة القطب وكيف يتم استقطابها بواسطة الإلكتروليت عند تطبيق جهد بين الأقطاب.

ثم ننتقل إلى "التجارب العددية" وننظر إلى مسار كل ذرة / جزيء في النظام. من البيانات التي تم الحصول عليها ، نحسب الخصائص التي يمكن مقارنتها مباشرة بالنتائج التجريبية - على سبيل المثال ، سعة الأجهزة. الاتفاق الجيد بين الاثنين يدعم نموذجنا ".

في سياق الطاقة الزرقاء ، يعتمد الباحثون على نظريتين للواجهة بين الأقطاب الكهربائية والإلكتروليتات: نظريات ديباي-هوكل وبواسون-بولتزمان. هذه مفيدة جدًا في كثير من الحالات - على سبيل المثال ، للأقطاب الكهربائية المستوية أو المسامية ذات المسام الكبيرة جدًا. يقول روتنبرج: "ومع ذلك ، فإنها تفشل في الحالة الحالية للحبس الشديد ، حيث تلعب التأثيرات الجزيئية دورًا مهمًا".

وصف أبسط

بالنسبة لـ CDI ، نموذج آخر ، يتم استخدام نموذج Donnan المعدل بشكل متكرر. "هذا وصف أبسط للتوازن بين المسام النانوية والكهارل الكتلي ،" يوضح روتنبرغ. إنه يقدم معلمات فعالة يتم تعديلها عادةً لتناسب البيانات التجريبية.

"في حين أن استخدام المعلمات من الأدبيات للمواد المماثلة لا يسمح لنا بإعادة إنتاج نتائجنا التجريبية في ظل جميع الظروف ، يمكننا الحصول على تنبؤات جيدة من خلال ملاءمة معلمات نموذج دونان المعدل لإعادة إنتاج عمليات المحاكاة بتركيزات عالية من الملح بالكهرباء. وبهذه الطريقة ، يمكننا استقراء التوقعات لخفض تركيزات الملح دون إجراء أي تجارب فعلية ".

على الرغم من أنه ليس مثاليًا ، يقول الباحثون إن هذا النهج يسمح لهم بالتنبؤ بالسعة التجريبية لأجهزتهم بتركيزات ملح منخفضة بشكل جيد إلى حد ما.

توقع السعة بشكل موثوق

يقول روتنبرغ: "يؤكد عملنا أن أقطاب الكربون النانوية ، والتي يتم استخدامها بالفعل في المكثفات الفائقة لتخزين الطاقة ، تبشر بالخير لكل من CapMix و CDI". nanotechweb.org. "إنه يثبت أيضًا أن محاكاة الديناميكيات الجزيئية الواقعية جيدة لفحص الآليات الأساسية التي تلعبها هذه المواد. وأنه يمكن استخدام عمليات المحاكاة للتنبؤ بشكل موثوق بالسعة - خاصة عند تركيزات الملح العالية ".

يقول الفريق ، الذي يضم علماء من جامعة تولوز ، في إطار شبكة الأبحاث الفرنسية حول تخزين الطاقة الكهروكيميائية ، RS2E ، إنه مشغول الآن بمحاكاة أملاح أخرى لمعالجة تأثيرات الأيونات المحددة.

"نحن نبحث أيضًا في هياكل كربونية مختلفة ونطور أوصافًا بسيطة محسّنة تسمح لنا بالتغلب على أوجه القصور في عمليات المحاكاة الجزيئية لدينا. لسوء الحظ ، فإن التكلفة الحسابية الخاصة بهم لا تسمح لنا بعد بمحاكاة سلوك الإلكتروليتات التي لها ملوحة مماثلة لمياه النهر ".

تم تفصيل البحث في مراجعة البدنية X دوى: https://doi.org/10.1103/PhysRevX.8.021024.