DOI: https://doi.org/10.5599/jese.3012
تاريخ النشر: 2026-01-08
المؤلف: Tika Bhandari وآخرون
الموضوع الرئيسي: المحفزات الكهربائية لتحويل الطاقة
نظرة عامة
تبحث الدراسة في تطوير طرق إنتاج الهيدروجين الفعالة والصديقة للبيئة، وبالتحديد من خلال تفاعل تطور الهيدروجين (HER) وتفاعل تطور الأكسجين (OER)، باستخدام مواد نانوية من الكربون المنشط المشتق من النفايات الحيوية مع جزيئات أكسيد النحاس (CuO@AC) التي تم تصنيعها بطريقة خضراء. يظهر المادة المركبة معمارية نانوية فريدة مع مراحل بلورية متميزة، مما يؤكد نجاح تصنيع المواد النانوية. تكشف النتائج أن المركب CuO@AC يظهر كفاءة تحفيزية عالية، حيث يتطلب جهدًا زائدًا قدره 137 مللي فولت عند كثافة تيار 10 مللي أمبير سم$^{-2}$ لتفاعل HER و194 مللي فولت لتفاعل OER، مع انحدارات Tafel المقابلة البالغة 94 مللي فولت ديسيبل$^{-1}$ و67.9 مللي فولت ديسيبل$^{-1}$، على التوالي.
في الختام، تقدم هذه الدراسة نهجًا جديدًا ومستدامًا لتصنيع الكربون المنشط المشتق من الكتلة الحيوية الممزوج بجزيئات CuO، باستخدام مستخلص الثوم (Allium sativum) وكتلة الذرة. يتفوق المركب CuO@AC الناتج على كل من جزيئات CuO النقية والكربون المنشط في الأداء الكهروكيميائي، مما يشير إلى إمكاناته كعامل تحفيز منخفض التكلفة وفعال لتحليل الماء وإنتاج الهيدروجين الأخضر. تسهم هذه الدراسة في تعزيز تقنيات الطاقة المستدامة وتدعم أهداف الانبعاثات الصفرية، لا سيما في سياق نيبال.
مقدمة
تتناول مقدمة هذه الورقة البحثية الطلب المتزايد على الطاقة العالمية الناجم عن نمو السكان والتنمية الاقتصادية، والذي يتم تلبيته بشكل أساسي من خلال الوقود الأحفوري غير المتجدد. إن الاعتماد على الوقود الأحفوري لا يهدد فقط استنفاد الموارد، بل يعزز أيضًا القضايا البيئية مثل تغير المناخ وانبعاثات غازات الدفيئة. للتخفيف من هذه التحديات، تؤكد الورقة على أهمية تحويل وتخزين الطاقة الكهروكيميائية، وخاصة من خلال تحليل الماء الكهروكيميائي، والذي يتضمن تفاعل تطور الأكسجين (OER) وتفاعل تطور الهيدروجين (HER). يُقدم الهيدروجين كمصدر طاقة متجددة واعد بسبب انبعاثاته الصفرية ومحتواه العالي من الطاقة، على الرغم من أن جدواه التجارية تعيقها ندرة وتكلفة المحفزات المعدنية الثمينة مثل Pt وPd.
يبرز المؤلفون إمكانيات مركبات المعادن الانتقالية، مثل تلك المستندة إلى Fe وCo وNi وCu، كبدائل للمحفزات لتفاعل HER وOER بسبب وفرتها وفعاليتها من حيث التكلفة ونشاطها التحفيزي العالي. بينما تظهر أكاسيد المعادن الانتقالية (TMOs) أداءً ممتازًا لتفاعل OER، إلا أنها غالبًا ما تواجه صعوبات مع تفاعل HER بسبب ضعف قدرات إزالة الهيدروجين. تهدف التطورات الأخيرة في هندسة TMOs إلى تعزيز خصائصها التحفيزية لتفاعل HER القلوي، مما يجعلها مناسبة لتطبيقات تحليل الماء الشاملة. تقترح الدراسة تصنيع جزيئات أكسيد النحاس المدعومة على الكربون المنشط المشتق من الكتلة الحيوية (CuO@AC) كمحفز جديد، مستفيدة من التأثيرات التآزرية لشبكة الكربون لتحسين الأداء الكهروكيميائي. تهدف الدراسة إلى استكشاف التفاعلات بين الكربون المنشط وأكاسيد المعادن، مما يسهم في تطوير مواد فعالة ومستدامة لإنتاج الهيدروجين الأخضر.
طرق
تحدد قسم “الطرق” الإجراءات التجريبية المستخدمة في الدراسة. توضح البروتوكولات المحددة المتبعة لضمان موثوقية وValidity النتائج. تشمل الجوانب الرئيسية اختيار المواد، وتصميم الإعداد التجريبي، والمنهجيات المستخدمة لجمع البيانات وتحليلها.
تم إجراء التجارب في ظروف مضبوطة لتقليل المتغيرات الخارجية التي قد تؤثر على النتائج. تم تطبيق طرق إحصائية لتحليل البيانات، مما يضمن أن النتائج كانت قوية وذات دلالة إحصائية. يبرز القسم أهمية القابلية للتكرار والشفافية في التصميم التجريبي، مما يوفر أساسًا للنتائج والنقاشات اللاحقة المقدمة في الورقة.
نتائج
تقدم الدراسة تصنيع مركب نانو CuO@AC، الذي يدمج أكسيد النحاس المعدني الانتقالي CuO ضمن مصفوفة كربونية مسامية مشتقة من الكتلة الحيوية، باستخدام طريقة بسيطة وصديقة للبيئة. تهدف هذه الطريقة المبتكرة إلى إنشاء قطب كهربائي منخفض التكلفة وعالي النشاط التحفيزي لتطبيقات تحليل الماء. تسلط الأبحاث الضوء على الخصائص الكهروكيميائية المهمة لجزيئات CuO المدعومة بالكربون المنشط، والتي تعمل كإطار موصل وخزان للإلكترونات.
يتميز المركب النانوي CuO@AC بواجهة غنية بين الكربون المنشط المسامي وهياكل CuO النانوية الموزعة، مما يعزز نقل الإلكترونات ويحسن امتصاص/إزالة الماء. من المتوقع أن ينشط هذا التفاعل التآزري الكفاءة التحفيزية ثنائية الوظيفة، مما يعالج القيود الجوهرية لـ CuO في التحفيز الكهربائي. تؤكد النتائج على إمكانيات هذه المادة المركبة في تعزيز المحفزات الكهربائية لإنتاج الهيدروجين الأخضر، مما يبرز أهمية التصميم الهيكلي وتآزر المواد في تحسين الأداء التحفيزي.
نقاش
في هذه الدراسة، تم تصنيع محفز كهربائي جديد يتكون من الكربون المنشط المشتق من الكتلة الحيوية (AC) الممزوج بجزيئات أكسيد النحاس (CuO) باستخدام طرق صديقة للبيئة. تم إنتاج الكربون المنشط من كيز الذرة، بينما تم تصنيع جزيئات CuO باستخدام مستخلص من الثوم (Allium sativum). أظهر المركب CuO@AC الناتج أداءً كهروكيميائيًا متفوقًا لكل من تفاعل تطور الهيدروجين (HER) وتفاعل تطور الأكسجين (OER) مقارنة بجزيئات CuO النقية والكربون المنشط بمفرده. على وجه التحديد، أظهر CuO@AC جهودًا زائدة أقل قدرها 137 مللي فولت عند 10 مللي أمبير سم$^{-2}$ لتفاعل HER و194 مللي فولت لتفاعل OER، إلى جانب انحدار Tafel قدره 94 مللي فولت ديسيبل$^{-1}$، مما يشير إلى نشاط تحفيزي معزز.
أكدت تقنيات التوصيف، بما في ذلك حيود الأشعة السينية (XRD) وطيف الأشعة تحت الحمراء بتحويل فورييه (FTIR) والميكروسكوب الإلكتروني الماسح بالانبعاث الميداني (FESEM)، نجاح التصنيع وسلامة الهيكل للمركب النانوي. تم عزو المساحة السطحية النشطة الكهروكيميائية العالية (ECSA) للمركب CuO@AC والديناميات المواتية لنقل الشحنة إلى هيكله المسامي والتأثيرات التآزرية لجزيئات CuO على ركيزة الكربون المنشط. تسلط هذه الدراسة الضوء على إمكانيات CuO@AC كمحفز فعال من حيث التكلفة لإنتاج الهيدروجين الأخضر من خلال تحليل الماء، مما يسهم في حلول الطاقة المستدامة ويدعم مستقبلًا خاليًا من الانبعاثات في نيبال.
DOI: https://doi.org/10.5599/jese.3012
Publication Date: 2026-01-08
Author(s): Tika Bhandari et al.
Primary Topic: Electrocatalysts for Energy Conversion
Overview
The research investigates the development of efficient and eco-friendly hydrogen production methods, specifically through the hydrogen evolution reaction (HER) and oxygen evolution reaction (OER), utilizing bio-waste-derived activated carbon nanomaterials combined with green-synthesized copper oxide nanoparticles (CuO@AC). The composite material exhibits a unique nanoarchitectonics with distinct crystalline phases, confirming the successful synthesis of the nanomaterials. The findings reveal that the CuO@AC composite demonstrates high catalytic efficiency, requiring an overpotential of 137 mV at a current density of 10 mA cm$^{-2}$ for HER and 194 mV for OER, with corresponding Tafel slopes of 94 mV dec$^{-1}$ and 67.9 mV dec$^{-1}$, respectively.
In conclusion, this study presents a novel and sustainable approach for synthesizing biomass-derived activated carbon infused with CuO nanoparticles, utilizing Allium sativum extract and corncob biomass. The resulting CuO@AC composite outperforms both pristine CuO nanoparticles and activated carbon in electrochemical performance, indicating its potential as a low-cost and efficient electrocatalyst for water electrolysis and green hydrogen production. This research contributes to advancing sustainable energy technologies and supports net-zero emissions goals, particularly in the context of Nepal.
Introduction
The introduction of this research paper addresses the escalating global energy demand driven by population growth and economic development, primarily met through non-renewable fossil fuels. This reliance on fossil fuels not only threatens resource depletion but also exacerbates environmental issues such as climate change and greenhouse gas emissions. To mitigate these challenges, the paper emphasizes the importance of electrochemical energy conversion and storage, particularly through electrochemical water splitting, which involves the oxygen evolution reaction (OER) and hydrogen evolution reaction (HER). Hydrogen is presented as a promising renewable energy source due to its zero emissions and high energy content, although its commercial viability is hindered by the scarcity and cost of precious metal catalysts like Pt and Pd.
The authors highlight the potential of transition metal compounds, such as those based on Fe, Co, Ni, and Cu, as alternative catalysts for HER and OER due to their abundance, cost-effectiveness, and high catalytic activity. While transition metal oxides (TMOs) exhibit excellent performance for OER, they often struggle with HER due to poor hydrogen desorption capabilities. Recent advancements in engineering TMOs aim to enhance their catalytic properties for alkaline HER, making them suitable for overall water-splitting applications. The study proposes the synthesis of copper oxide nanoparticles supported on biomass-derived activated carbon (CuO@AC) as a novel catalyst, leveraging the synergistic effects of the carbon matrix to improve electrochemical performance. The research aims to explore the interactions between activated carbon and metal oxides, ultimately contributing to the development of efficient, sustainable materials for green hydrogen production.
Methods
The “Methods” section outlines the experimental procedures employed in the study. It details the specific protocols followed to ensure the reliability and validity of the results. Key aspects include the selection of materials, the design of the experimental setup, and the methodologies used for data collection and analysis.
The experiments were conducted under controlled conditions to minimize external variables that could affect the outcomes. Statistical methods were applied to analyze the data, ensuring that the findings were robust and statistically significant. The section emphasizes the importance of replicability and transparency in the experimental design, providing a foundation for the subsequent results and discussions presented in the paper.
Results
The study presents the synthesis of a CuO@AC nanocomposite, integrating transition-metal oxide CuO within a biomass-derived porous carbon matrix, utilizing a simple and environmentally friendly method. This innovative approach aims to create a low-cost, high-catalytic-activity electrode for water-splitting applications. The research highlights the significant electrocatalytic properties of CuO nanoparticles supported by activated carbon, which serves as a conductive framework and electron reservoir.
The resulting CuO@AC nanocomposite is characterized by a rich interface between the porous activated carbon and dispersed CuO nanostructures, enhancing electron transfer and improving water adsorption/desorption. This synergistic interaction is expected to activate bifunctional catalytic efficacy, thereby addressing the inherent limitations of CuO in electrocatalysis. The findings underscore the potential of this composite material in advancing electrocatalysts for green hydrogen production, emphasizing the importance of structural design and material synergy in optimizing catalytic performance.
Discussion
In this study, a novel electrocatalyst composed of biomass-derived activated carbon (AC) infused with copper oxide nanoparticles (CuO) was synthesized using environmentally friendly methods. The activated carbon was produced from corncobs, while CuO nanoparticles were synthesized using an extract from Allium sativum. The resulting CuO@AC composite demonstrated superior electrochemical performance for both hydrogen evolution reaction (HER) and oxygen evolution reaction (OER) compared to pristine CuO nanoparticles and activated carbon alone. Specifically, the CuO@AC exhibited lower overpotentials of 137 mV at 10 mA cm$^{-2}$ for HER and 194 mV for OER, alongside a Tafel slope of 94 mV dec$^{-1}$, indicating enhanced catalytic activity.
Characterization techniques, including X-ray diffraction (XRD), Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR), and field emission scanning electron microscopy (FESEM), confirmed the successful synthesis and structural integrity of the nanocomposite. The CuO@AC composite’s high electrochemical active surface area (ECSA) and favorable charge transfer kinetics were attributed to its porous architecture and the synergistic effects of the CuO nanoparticles on the activated carbon substrate. This research highlights the potential of CuO@AC as a cost-effective and efficient catalyst for green hydrogen production through water splitting, contributing to sustainable energy solutions and supporting a net-zero emissions future in Nepal.