کاهش هزینه‌های ساخت پیل‌سوختی با روش ابتکاری محققان دانشگاه علم و صنعت ایران
محققان دانشگاه علم و صنعت ایران با حذف فلز پلاتین به فناوری ساخت نانوکاتالیست‌هایی دست یافتند که می‌تواند هزینه ساخت پیل‌های سوختی را تا حد قابل قبولی کاهش دهد، ضمن آنکه طول عمر و پایداری بالاتر نسبت به کاتالیست‌های پلاتینی رایج دارند.
برای صنعتی شدن پیل‌های سوختی به عنوان یک انرژی پایدار مساله اقتصادی در تولید این نوع سیستم‌ها باید بهینه‌سازی شود؛ چراکه معمولا در ساخت این پیل‌ها از فلز گران‌قیمت و کمیاب پلاتین استفاده می‌شود که حدود 30 درصد کل هزینه‌های پیل سوختی را به خود اختصاص می‌دهد.
دکتر سوسن روشن‌ضمیر مجری طرح در این زمینه گفت: نانوکاتالیست‌هایی را سنتز کرده‌ایم که در این نانوکاتالیست از پلاتین هیچ استفاده‌ای نشده، اما توانسته به فعالیت قابل قبولی نسبت به کاتالیست‌های پلاتینی رایج و مرسوم دست پیدا کند.
وی با بیان اینکه طول عمر و پایداری بالاتر نسبت به کاتالیست‌های پلاتینی رایج از دیگر مزیت‌های آن است، اظهار داشت: برای صنعتی شدن پیل‌های سوختی، به عنوان یک انرژی پایدار، مسئله‌ی اقتصادی در تولید این نوع سیستم‌ها باید بهینه‌سازی شود. عموماً در ساخت این پیل‌ها، از فلز گران‌قیمت و کمیاب پلاتین استفاده می‌شود که حدود 30 درصد کل هزینه‌های پیل سوختی را به خود اختصاص می‌دهد.
وی افزود: این کار تحقیقاتی با هدف کاهش هزینه‌ها در پیل‌های سوختی دما پایین که در حوزه انرژی‌های تجدید پذیر شناخته شده هستند، صورت گرفته است، راهکار کاربرد پیل‌های سوختی در صنعت، استفاده از کاتالیست‌های عاری از پلاتین است.
وی ادامه داد: البته این کاتالیست‌ها باید با داشتن فعالیتی برابر یا بیشتر از پلاتین و همچنین پایداری و طول عمر مناسب، بتوانند در رقابت با عملکرد پلاتین پیشی بگیرند.
روشن‌ضمیر گفت: از جمله مواد نانوساختاری که تاکنون توانسته‌اند چنین عملکردی داشته باشند، نانوساختارهای نیتروژن‌دهی شده مثل گرافن و نانولوله‌های کربنی هستند که در ترکیب با فلزات ارزان قیمت استفاده می‌شوند. به همین دلیل در این طرح، کاتالیست پایه گرافنی نیتروژن دهی شده توسط یک روش سولووترمال سنتز شد و فلزات آهن و کبالت روی این پایه نانوساختار توسط روش پلی یول ته نشین سازی شدند.
وی افزود: این روش ته نشین سازی، موجب پخش بهینه‌ی نانوذرات روی پایه کربنی نسبت به روش‌های مرسوم شده که خود نقش زیادی در افزایش فعالیت کاتالیست سنتز شده دارد.
مجری طرح گفت: دلیل استفاده از پلاتین واکنش کند احیای اکسیژن در الکترود کاتد پیل‌های سوختی پلیمری است، خوشبختانه ما در این طرح به کمک نانوکاتالیست سنتز شده توانستیم با وجود حذف فلز پلاتین، به یک فعالیت قابل قبول برای انجام واکنش احیای اکسیژن در الکترود کاتد پیل سوختی برسیم.
وی افزود: هم چنین به دلیل اینکه هم در بخش سنتز پایه گرافنی نیتروژن دهی شده و هم ته نشین سازی فلزات از روش‌های ساده و کم هزینه استفاده شده، هزینه‌های تولید نانوکاتالیست نیز تا حد زیادی کاهش یافته است. روشن‌ضمیر اظهار داشت: علاوه بر آن، نانوکاتالیست سنتز شده دارای پایداری خیلی بیشتری نسبت به کاتالیست‌های پلاتینی رایج است که سریعاً در الکترولیت حل می‌شوند. از طرفی این نانوکاتالیست در برابر عبور سوخت انعطاف بالایی از خود نشان می‌دهد و مشکل مسمومیت با منوکسید کربن و اختلال در اثر عبور سوخت و متانول را ندارد.
به گفته این محقق، پیل‌های سوختی دما پایین (مثل پیل سوختی غشای تبادل پروتون) در صنعت حمل و نقل و صنعت خودرو کاربرد خواهند داشت. این منابع انرژی که از سوخت هیدروژن استفاده می‌کنند، پایدار هستند و تا زمانی که تأمین سوخت برای این سیستم‌ها انجام شود، می‌توانند انرژی الکتریکی مورد نیاز خودرو و سایر وسایل الکترونیکی قابل حمل و نقل را تأمین کنند. لازم به ذکر است که فناوری انرژی پیل سوختی جزو انرژی‌های پاک و تجدید پذیر به شمار می‌رود و در صورت استفاده از آن در صنعت خودرو، آلاینده‌های زیست محیطی به شدت کاهش خواهند یافت.
وی افزود: در این طرح آزمون‌های تعیین مشخصات الکتروشیمیایی در سیستم سه الکترودی، شامل آزمون‌های ولتامتری چرخه‌ای، ولتامتری خطی روبشی و آزمایش‌های کرونوآمپرومتری و امپدانس الکتروشیمیایی استفاده شده است.
حسنا قنبرلو از محققان این طرح هم راهکار کاربرد پیل‌های سوختی در صنعت را استفاده از کاتالیست‌های عاری از پلاتین دانست و ادامه داد: البته این کاتالیست‌ها باید با داشتن فعالیتی برابر یا بیشتر از پلاتین و همچنین پایداری و طول عمر مناسب، بتوانند در رقابت با عملکرد پلاتین پیشی بگیرند.
قنبرلو اضافه کرد: از جمله مواد نانوساختاری که تاکنون توانسته‌اند چنین عملکردی داشته باشند، نانو ساختارهای نیتروژن‌دهی شده مثل گرافن و نانو لوله‌های کربنی هستند که در ترکیب با فلزات ارزان قیمت استفاده می‌شوند. به همین دلیل در پروژه حاضر کاتالیست پایه گرافنی نیتروژن‌دهی شده توسط یک روش سولووترمال سنتز شد و فلزات آهن و کبالت روی این پایه نانوساختار توسط روش پلی یول ته‌نشین سازی شدند.
به گفته وی، این روش ته‌نشین‌سازی موجب پخش بهینه نانوذرات بر روی پایه کربنی نسبت به روش‌های مرسوم شده که خود نقش زیادی در افزایش فعالیت کاتالیست سنتز شده دارد.
قنبرلو با بیان اینکه دلیل استفاده از پلاتین واکنش کند احیای اکسیژن در الکترود کاتد پیل‌های سوختی پلیمری است، خاطر نشان کرد: خوشبختانه ما در این طرح به کمک نانوکاتالیست سنتز شده توانستیم با وجود حذف فلز پلاتین به یک فعالیت قابل قبول برای انجام واکنش احیای اکسیژن در الکترود کاتد پیل سوختی برسیم.
وی اضافه کرد: علاوه بر آن به دلیل اینکه هم در بخش سنتز پایه گرافنی نیتروژن‌دهی شده و هم ته‌نشین‌سازی فلزات از روش‌های ساده و کم هزینه استفاده شده، هزینه‌های تولید نانوکاتالیست نیز تا حد زیادی کاهش یافته است.
محقق این طرح، نانوکاتالیست سنتز شده را دارای پایداری خیلی بیشتری نسبت به کاتالیست‌های پلاتینی رایج توصیف کرد که سریعاً در الکترولیت حل می‌شوند و ادامه داد: از طرفی این نانوکاتالیست در برابر عبور سوخت انعطاف بالایی از خود نشان می‌دهد و مشکل مسمومیت با منوکسید کربن و اختلال در اثر عبور سوخت و متانول را ندارد.
قنبرلو، کاربرد پیل‌های سوختی دما پایین (مثل پیل سوختی غشای تبادل پروتون) را در صنعت حمل‌ونقل و صنعت خودرو دانست و گفت: این منابع انرژی که از سوخت هیدروژن استفاده می‌کنند، پایدار هستند و تا زمانی که تأمین سوخت برای این سیستم‌ها انجام شود، می‌توانند انرژی الکتریکی مورد نیاز خودرو و سایر وسایل الکترونیکی قابل حمل‌ونقل را تأمین کنند.
این محقق تاکید کرد: فناوری انرژی پیل سوختی جزو انرژی‌های پاک و تجدیدپذیر به شمار می‌رود و در صورت استفاده از آن در صنعت خودرو، آلاینده‌های زیست محیطی به شدت کاهش خواهند یافت.
این طرح از سوی حسنا قنبرلو، دانشجوی دکترای مهندسی شیمی دانشگاه علم و صنعت، دکتر سوسن روشن ضمیر عضو هیأت علمی دانشگاه علم و صنعت و ایران اجرایی و نتایج آن در Journal of Power Sources با ضریب تأثیر 1.6 منتشر شده است.
|
