راهکار کلیدی محققان ايراني در توسعه و تجاری‌سازی پیل‌های سوختی متانولي

[yasaman hedayati]

پژوهشگران دانشگاه اصفهان موفق به ارائه یک روش ساده و کارآمد برای سنتز نانوذرات مبتنی بر فلزات نجیب بر روی انواع بسترها شدند.


به گزارش سرويس پژوهشي ايسنا، این روش که بویژه در بسترهای کربنی نظیر نانولوله‌های کربنی کاربرد دارد، بدون تغییر خصوصیات ذاتی و ساختاری نانولوله‌های کربنی، امکان تهیه نانوذرات مبتنی بر پلاتین با اندازه ذرات ریزتر و توزیع اندازه ذرات محدودتر با پایداری بیشتر را فراهم می‌‌كند.




نانولوله‌های کربنی، در میان بسترهای مختلف به‌ دلیل دارا بودن خصوصیات ویژه بعنوان یک بستر جدید و مناسب برای نانوذرات، کاربردهای زیادی دارند. اما نانولوله‌های کربنی خام دارای سطوحی با خاصیت آب‌گریزی ذاتی و بی‌اثری شیمیایی هستند و لذا جایگاه‌های مناسب و کافی برای پخش نانوذرات بر روی سطح آن‌ها وجود ندارد. توزیع نانوذرات بر روی بسترها تا حدودی به‌ شیوه اصلاح سطح به کار رفته بستگی دارد.




شیوه‌های متداول اصلاح سطح نانولوله‌های کربنی، عموماً روش‌هایی خسته‌کننده و وقت‌گیر هستند و در بسیاری از موارد منجر به تغییر ساختار و خصوصیات ذاتی کربن می‌شوند. در نتیجه امروزه پژوهشگران به دنبال روش‌های کارآمدتر هستند. هدف کلی این پژوهش دستیابی به یک روش سنتز ساده مبتنی بر روش تلقیح برای تهیه کاتالیست‌های مبتنی بر پلاتین بر روی بسترهای کربنی جهت واکنش‌های پیل سوختی متانولی مستقیم است.




تهیه کاتالیست‌هایی با اندازه ذرات ریزتر و توزیع اندازه ذرات محدودتر، اصلاح سطح نانولوله‌های کربنی بدون تغییر ساختار ذاتی نانولوله‌های کربنی و همچنین استفاده از روش سنتزی برای تهیه آلیاژهای مبتنی بر پلاتین و فلزات غیر نجیب در دمای بالا (800 درجه سانتیگراد) بر روی بسترهای کربنی، بدون آنکه دمای بالا منجر به افزایش اندازه ذرات یا افزایش توزیع اندازه ذرات کاتالیست شود، اهداف دیگری هستند که در این روش سنتزی مدنظر است.




امروزه پیل‌های سوختی متانولی مستقیم به‌ عنوان یک منبع انرژی سبز برای وسایل الکترونیکی و اتومبیل‌ها توجه بسیار زیادی را به خود جلب كرده‌اند. وجود برخی مشکلات، اقبال عمومی از این نوع پیل‌های سوختی را با چالش‌هایی مواجه كرده است. توسعه کاتالیست‌هایی برای بهبود انجام واکنش‌های اکسایش متانول و احیای اکسیژن یکی از راهکارهای کلیدی برای توسعه و تجاری‌سازی این پیل‌های سوختی است و این طرح به طور مستقیم در صنایع پیل سوختی و سنتز کاتالیست‌های مربوط به آن کاربرد دارد و روشی ساده و ارزان را ارائه می‌دهد.





این پژوهش به‌ وسیله‌ دکتر رزگار احمدی و دکتر محمد کاظم امینی از دانشگاه اصفهان انجام گرفته است. همچنین اندازه‌گیری‌های میکروسکوپ الکترونی عبوری با تفکیک بالا (HRTEM) به‌ وسیله‌ دکتر کریگ بنت از دانشگاه آکادیاي کانادا صورت گرفته است.

احمدی در مورد این پژوهش گفت: نوآوری این شیوه سنتزی، امکان سنتز آلیاژهای مبتنی بر پلاتین در دمای بالا، با اندازه ذراتی حدود سه نانومتر بر روی نانولوله‌های کربنی است که پایداری زیادی بر روی بستر کربنی از خود نشان می‌دهند. این مزایا به علت استفاده از گوگرد عنصری به‌ عنوان اصلاحگر طی فرایند سنتز است که امکان سنتز نانوذراتی با اندازه ریزتر، پخش شدگی مناسب‌تر و درصد آلیاژی شدن بالاتر را فراهم می‌كند. گوگرد مورد استفاده تقریباً به‌ طور کامل در انتهای سنتز و در حین عملیات حرارتی حذف می‌شود و لذا هیچ گونه اثر مسمومیتی بر روی کاتالیست‌ها برجای نمی‌ماند.





وی با اشاره به مراحل این کار تحقیقاتی خاطرنشان کرد: در اين تحقيق ابتدا کاتالیست‌ پلاتین بر روی سطح نانولوله‌های کربنی اصلاح شده با گوگرد سنتز شد و فعالیت کاتالیستی آن برای واکنش اکسایش متانول مورد بررسی قرار گرفت و اثر مقدار گوگرد عنصری مورد استفاده در اصلاح سطح نانولوله‌های کربنی تعیین شد. در ادامه کاتالیست‌های آلیاژی مبتنی بر پلاتین Pt-Co بر روی سطح نانولوله‌های کربنی اصلاح شده با گوگرد سنتز‌ شدند. پس از‌ شناسایی کاتالیست‌ها، فعالیت کاتالیستی آنها برای واکنش اکسایش متانول مورد بررسی قرار گرفت. در این دو بخش، کاتالیست‌های سنتز شده مورد‌ شناسایی قرار می‌گیرند و فعالیت کاتالیستی آنها مورد مطالعه قرار می‌گیرد.




احمدی با اشاره‌ به نتایج این کار تحقیقاتی اظهار كرد: با اصلاح سطح نانولوله‌ها با گوگرد، امکان تهیه ذراتی با اندازه کارآمدتر برای واکنش اکسایش متانول فراهم می‌شود. گوگرد به کار برده شده در حین فرایند تشکیل ذرات از کلوخه‌ای شدن نانوذرات در حین اصلاح گرمایی در دمای بالا ممانعت به عمل آورده و همچنین با اتصال محکم ذرات به سطح، پایداری کاتالیست را در محلول‌های اسیدی و محیط‌های الکتروشیمیایی افزایش می‌دهد. همچنین در میان همه کاتالیست‌های Pt-Co تهیه شده بر روی نانولوله‌های کربنی اصلاح شده با گوگرد، کاتالیست Pt3Co/CNT بیشترین فعالیت الکتروشیمیایی را برای واکنش اکسایش متانول و بیشترین پایداری طولانی مدت را نشان می‌دهد.




روش سنتز ارائه شده در این پژوهش بسیار ساده و ارزان است و نیازی به وسایل و دستگاه‌های پیشرفته ندارد، به‌ علاوه با این روش چون می‌توان کاتالیست را در اندازه زیاد تولید كرد، پس این روش قابلیت تجاری شدن را نیز دارا است.

نتایج این کار تحقیقاتی در مجله «Journal of Catalysis» منتشر شده است.