بهینه سازی پیل سوختی پلیمری توسط گروهی از محققان آزمایشگاه ملی شمال غربی پاسیفیک انجام شد و نتایج این بررسی در آخرین نسخه مجله Nature Catalysis منتشر گردید .
تحقیقات جدید نشان داده است که کبالت می‌تواند جایگزین ارزان تری برای پلاتین در پیل های سوختی PEM باشد . این کشف می‌تواند منجر به افزایش کارایی و کاهش وابستگی به سوخت های فسیلی شود .
وسایل نقلیه الکتریکی که از پیل های سوختی استفاده می‌کنند ، گام مهمی در کاهش انتشار گازهای گلخانه ای و محدود کردن تغییرات آب و هوایی دارند .
کاربرد سلول های سوختی
از سلول های سوختی می‌توان برای تولید برق از اکسیژن و هیدروژن فشرده استفاده کرد ؛ بنابراین نیاز به سوخت های فسیلی را کاهش می‌یابد .
معایب پیل های سوختی و پاسخ به چرایی بهینه سازی پیل سوختی پلیمری
یکی از مشکلاتی که مانع گسترش وسیع این فناوری می‌شود ، هزینه بالای پیل های سوختی است . این مشکل در پیل های سوختی غشای مبادله پروتون ( PEM ) ، که بهترین گزینه برای تامین انرژی اتومبیلها و سایر وسایل نقلیه است ، نیز وجود دارد .
این پیل های سوختی برای کمک به فرآیند احیای اکسیژن که انرژی آنها را تامین می‌کند ، به کاتالیزورهای بسیار فعال نیاز دارند .
فلز پلاتین که در حال حاضر بعنوان کاتالیزور در پیل های سوختی استفاده می‌شود ، بازده بسیار بالایی دارد ؛ اما نیمی از کل هزینه یک پیل را به خود اختصاص می‌دهد . بنابراین ، یافتن یک کاتالیزور جایگزین ارزان تر برای سلولهای سوختی PEM ، که بتواند این دستگاه‌ها را بسیار مقرون به صرفه‌تر کند ، یک موضوع جالب توجه برای تولید کنندگان و محققان است .
کاتالیزور چیست؟
کاتالیزورها موادی هستند که سرعت واکنش شیمیایی را افرایش می‌دهند ؛ بدون اینکه خودشان تغییر کنند یا مصرف شوند .
محققان آزمایشگاه ملی شمال غربی پاسیفیک ( Pacific Northwest National Laboratory ) بر روی این پیل ها تحقیقاتی انجام دادند . آنها یک کاتالیزور فعال طراحی کردند که با دوام است و به پلاتین گران قیمت متکی نیست . تحقیقات این تیم در آخرین نسخه مجله Nature Catalysis منتشر شده است .
فرآیند تبدیل شدن به سلولهای سوختی مقرون به صرفه و بهینه سازی پیل سوختی پلیمری
سلول های سوختی مانند باتری ها کار می‌کنند ؛ اما بدون از کار افتادن و نیاز به شارژ مجدد . آنها تا زمانی که سوخت دارند انرژی تولید می‌کنند .
سلول های سوختی از دو الکترود تشکیل شده‌اند که در درون یک الکترولیت قرار می‌گیرند .
در PEMها از غشای پلیمری رساننده پروتون بعنوان الکترولیت و از هیدروژن بعنوان سوخت استفاده می‌شود . اما فرآیندی که آنها برای کار کردن به آن متکی هستند ، به کاتالیزور وابسته است .
دانشمندان مدتی است در جستجوی گزینه‌ای جایگزین برای پلاتین بعنوان کاتالیزور در پیل های سوختی PEM هستند . تمرکز اصلی این کار بر روی فلزات دیگر و بطور عمده فلزات واسطه مانند آهن بوده است . مشکل استفاده از این فلزات این است که آنها به سرعت در PEMها ، که شرایط بشدت اسیدی دارند ، تجزیه می‌شوند .
برای مقابله با این موضوع ، این تیم به کبالت روی آورد . یک فلز واسطه‌ای که واکنش پذیری آن بسیار کمتر از آهن است . با این امید که بتواند محیط اسیدی سلولهای سوخت PEM را برای مدت طولانی‌تری تحمل کند . البته ، کبالت از مزایای بسیار بیشتری برخوردار است و نسبت به پلاتین ارزان تر است .
نکته منفی کبالت عدم واکنش پذیری آن است که باعث می‌شود کاتالیزور کارآیی کمتری نسبت به آهن داشته باشد .
چگونگی افزایش واکنش پذیری کبالت و بهینه سازی پیل سوختی پلیمری
اولین قدم تیم برای افزایش واکنش پذیری کبالت ، ثابت کردن آن در میکروحفرات یک چارچوب فلزی – آلی به نام ایمیدازولات زئولیت ( Zeolitic imidazolate ) بود . این چارچوب بعنوان یک حصار محافظ برای تحرک اتمهای کبالت عمل می‌کند . همچنین از خوشه ای شدن ( Clustering ) یا تجمع اتمها جلوگیری می‌کند .
در ادامه این تیم از یک فرآیند تجزیه حرارتی به نام پیرولیز ( Pyrolysis ) استفاده کرد تا اتمهای محبوس شده را به مکانهای فعال کاتالیزوری تبدیل کند . این مکان ها ساختار چارچوبی که در آن قرار داشتند را همچنان حفظ کردند . این امر تراکم یا دانسیته مکانهای فعال را افزایش داد و تاثیر قابل توجهی در افزایش واکنش پذیری کبالت داشت .
واکنش پذیری ثبت شده برای کبالت ، نشان دهنده بالاترین میزان مشاهده شده در کاتالیزور غیر پلاتین تاکنون است .
این تیم همچنین دریافت که مدل کبالت در فرآیند فلززدایی ( Demetallizatio n) بسیار مقاوم‌تر از کاتالیزورهای مبتنی بر آهن عمل می‌کند . این بدان معناست که کبالت قادر است فعالیت کاتالیزوری را برای مدت زمان طولانی حفظ کند .
تحقیقات این تیم می‌تواند کارایی سلول های سوختی پلیمری ( PEM ) را افزایش دهد و در عین حال آنها را مقرون به صرفه‌تر کند . بدون شک این یک مزیت بزرگ برای صنعت خودرو ، که بشدت تلاش می‌کند انتشار کربن را کاهش دهد ، تلقی می‌شود .
خلاصه خبر ” بهینه سازی پیل سوختی پلیمری “
یک تیم از محققان موفق به ساخت پیل های سوختی پلیمری ارزان و کارآمد شدند . در ساخت این پیل ها از عنصر کبالت بجای پلاتین گران قیمت استفاده شده است . توسعه این پیل های سوختی پلیمری مقرون به صرفه در وسایل حمل و نقل الکتریکی مخصوصا خودروهای الکتریکی از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است .
برای مشاهده تازه ترین رویدادهای علمی دنیا به بخش اخبار علمی سایت شرکت پیشگامان توسعه مواد سام مراجعه کنید .
منبع خبر : سایت www.azom.com
تاریخ انتشار خبر : ۲۸ آذر ماه ۱۳۹۹
کد خبر : ۳۰۴۵
