رتقای کارایی پیل سوختی به‌وسیله‌ی فناوری نانو

به‌تازگی گروهی از دانشمندان از INRS در کانادا روشی ساده برای ساخت نانوسیم‌های پلاتینی تک‌بلوره در فاز آبی و در دمای اتاق ابداع کرده‌اند. در این روش مقرون‌به‌صرفه، این نانوسیم‌ها بر روی زیرلایه‌ای از نانوکره‌های دوده (کاتالیستی که معمولاً در پیل‌های سوختی استفاده می‌شود) ساخته می‌شوند.

پیل‌های سوختی مدرن این قابلیت را دارند تا صنعت حمل ‌و نقل را متحول کنند. وسایل نقلیه‌ی دارای پیل سوختی مانند وسایل نقلیه‌ی الکتریکی باتری‌دار نیروی محرکه‌ی خود را از موتورهای الکتریکی می‌گیرند. پیل‌های سوختی مورد استفاده در این خودروها، ابزارهای الکتروشیمیایی‌ای هستند که انرژی شیمیایی یک سوخت را بدون احتراق و با بازده بالایی، مستقیماً به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کنند.

یکی از گونه‌های ممتاز پیل سوختی که مشخصاً برای کاربردهای حمل‌ و نقل ابداع شده‌است، پیل سوختی غشایی مبادله‌ی پروتون (PEMFC) است که پیل سوختی غشایی الکترولیتِ پولیمری نیز نامیده می‌شود. این پیل‌های سوختی از طریق واکنش اکسایش الکتروشیمیایی هیدروژن و کاهش الکتریکی اکسیژنِ هوا راه‌اندازی می‌شوند. این پیل‌های سوختی در دماهای نسبتاً پایین (کمتر از ??? درجه‌ی سانتی‌گراد) کار کرده و به همین دلیل، به کاتالیست‌هایی نیاز دارند که در پتانسیل بالا، جریان‌های سودمندی تولید کنند (این نیاز در الکترود کاتد شدیدتر است). هم‌اکنون در اکثر نمونه‌های آزمایشی PEMFCها از الکتروکاتالیست‌های پلاتینی استفاده می‌شود، البته قیمت این فلز به‌دلیل عرضه‌ی محدود آن، گران و ناپایدار است و این امر، یکی از موانع اصلی در تجاری‌سازی PEMFCها به‌شمار می‌رود.

گرچه فناوری نانو با استفاده از نانوکامپوزیت‌ها، الکتروکاتالیست‌های غیر پلاتینی کارامدتر و غشاهای پردوام‌تر و مقاوم‌ در برابر حرارت، نویدبخش ظهور مواد دوقطبی ارزان در آینده‌ی نزدیک است؛ همچنان پلاتین یکی از موانع موجود بر سر راه تجاری‌سازی PEMFCها محسوب می‌شود. لذا وزارت انرژی ایالات متحده (DOE) به‌منظور استفاده از پلاتین در PEMFCها برای بخش خودروسازی حداکثرهایی را تعیین کرده‌است.

دکتر جین‌پول دودلت که همراه با گروهش، این روش را ابداع کرده‌اند، می‌گوید: «به‌منظور رسیدن به این حداکثر‌ها، لازم است تا عملکرد کاتالیست‌های پلاتینی پیل سوختی را ارتقا دهیم؛ به‌ویژه در کاتد که واکنش کاهش اکسیژن (ORR) در آن کند است، می‌توان این کار را با ادغام پلاتین با یک یا چند فلز دیگر انجام داد. از سوی دیگر، تحقیق ما نشان داده‌است که می‌توان عملکرد پلاتین در الکتروکاتالیزکردنِ ORR را با استفاده از نانوسیم‌های پلاتینی به جای نانوذرات پلاتینی متداول، ارتقا داد.»

استفاده از نانوکره‌های کربنی به‌عنوان زیرلایه موجب شده‌است تا این روش، روش مقرون‌به‌صرفه‌ای برای رشد نانوسیم‌های پلاتینی محسوب شود. نانوساختارهای حاصله (که در آنها یک نانوکره‌ی دوده در مرکز قرار گرفته و نانوسیم‌های پلاتینی به صورت شعاعی از روی سطح آن رشد می‌کنند) در ORR، نسبت به یک کاتالیست پلاتین/کربن مدرن (ساخته‌شده از نانوذرات پلاتین) عملکرد کاتالیستی بهتری دارند.

این محققان تصدیق می‌کنند که سازوکارهای رشد نانوسیم‌های شاخه‌‌شکلِ پلاتینی کاملاً شناخته‌شده نیست؛ با این حال، می‌توان طول این نانوسیم‌ها را از طریق تنظیم زمان کاهشِ مواد اولیه‌ی پلاتینی، کنترل کرد، همچنین می‌توان چگالی نانوسیم‌ها را بر روی نانوکره‌های کربنی از طریق تنظیم نسبت وزن مواد اولیه‌ی پلاتینی به وزن کربن، کنترل نمود.

دودلت افزود: «ما مشاهده کردیم که کاتالیست نانوسیمی پلاتینی ما از نظر فعالیت جرمی در مقایسه کاتد تجاری، ?? درصد فعال‌تر است، این در حالی است که مساحت سطح پلاتین در کاتالیست نانوسیمی، ?? درصد کمتر از مشابه تجاری خود بود. با در نظر گرفتن هر دو عامل، در محاسبات نشان داده شد که در شرایط یکسان، عملکرد کاتالیست نانوسیمی در ORR، سه ‌برابر بهتر از عملکرد کاتد تجاری است.» وی گفت که در آینده، نانوسیم‌هایی از جنس آلیاژهای پلاتین (ادغام‌شده با آهن، مس یا نیکل) را مورد بررسی قرار خواهند داد.

نتایج این تحقیق در نشریه‌ی Advanced Materials به چاپ رسیده‌است.