استفاده از نانومواد برای بهبود فرآیند تولید هیدروژن در پیل‌های سوختی

به گزارش گروه علم و فناوری آنا به نقل از ستاد ویژه توسعه نانو، با توجه به نیاز روزافزون بشر به استفاده از یک منبع انرژی جایگزین سوخت‌های فسیلی، پیل‌های سوختی گزینه بسیار مناسبی هستند. در یک پیل سوختی، انرژی شیمیایی موجود در سوخت به انرژی الکتریکی تبدیل می‌شود. مولکول هیدروژن به علت داشتن دانسیته انرژی زیاد و همچنین به عنوان یک سوخت پاک، یکی از سوخت‌های مناسب برای پیل‌های سوختی هیدروژن- اکسی‍ژن به شمار می‌رود.

به گفته پرفسور جهانبخش رئوف، مشکل استفاده از گاز هیدروژن در این زمینه، بحث ذخیره سازی این گاز در کپسول‌های تحت فشار است. یک راه حل پیشنهادی برای این معضل، تولید الکتروشیمیایی هیدروژن در محل ورودی سوخت در یک پیل سوختی است. اما این فرآیند از سینتیک انتقال الکترون کندی در سطح الکترودهای متداول برهنه برخوردار است. هدف این کار تحقیقاتی، اصلاح سطح الکترود با استفاده از نانومواد، به منظور افزایش سینتیک واکنش رهاسازی هیدروژن(HER) بوده است.

وی در ادامه افزود: «در واقع با اصلاح مناسب سطح الکترود، می‌توان سرعت انتقال الکترون را در سطح آن تسریع کرد. در این طرح، با استفاده از نانو چندسازه مس/نانو متخلخل کربنی مشتق شده از شبکه آلی فلزی MOF-199، این هدف محقق شده است».

طبق نتایج بدست آمده، حضور این نانو چندسازه در سطح الکترود اصلاح شده موجب بهبود فرآیند انتقال الکترون برای واکنش HER می‌شود. به عبارتی، این الکترود اصلاح‌شده امکان تهیه الکتروشیمیایی سریع‌تر و راحت‌تر گاز هیدروژن به عنوان سوخت پاک برای پیل‌های سوختی هیدروژن- اکسیژن را فراهم می‌کند. همچنین، به دلیل عدم به کارگیری فلز گران قیمت پلاتین در ساختار الکترود، موجب کاهش قیمت و صرفه اقتصادی برای تولید گاز هیدروژن خواهد شد.

لازم به ذکر است که تولید انرژی الکتریکی از پیل‌های سوختی، نظیر پیل سوختی هیدروژن- اکسیژن که منجر به تولید آب به عنوان محصول نهایی این فرآیند می‌شود، به عنوان انرژی پاک، هیچ گونه آلودگی زیست محیطی ندارد.

رئوف روند انجام مطالعات صورت گرفته را بدین شرح بیان کرد: «برای این منظور، از چندسازه مس/نانو متخلخل کربنی مشتق شده از شبکه آلی فلزی مس- بنزن تری کربوکسیلیک اسید با نام دیگر MOF-199 به عنوان کاتالیزور غیر پلاتینی استفاده شد. در این راستا، روش کربونیزاسیون مستقیم شبکه آلی فلزی، بدون اضافه کردن منبع کربنی خارجی برای تهیه این نانو چندسازه به کار رفته است. پس از مشخصه‌یابی نانو چندسازه مس/نانو متخلخل کربنی تهیه شده، آن را به روش فراصوت در حلال اتانول پخش کرده و سوسپانسیون یکنواختی تهیه شد و روی سطح الکترود کربن شیشه‌ای بدون هیچ عامل اتصال دهنده‌ای، قطره‌گذاری شد. در ادامه، عملکرد الکتروکاتالیزوری نانو چندسازه موجود بر سطح الکترود کربن شیشه‌ای برای فرآیند HER در محلول سولفوریک اسید به روش ولتامتری روبش خطی (LSV) بررسی شد».

نتایج الکتروشیمیایی، تسهیل انتقال الکترون در فرآیند کاهش یون هیدروژن در محیط اسید سولفوریک را در گستره پتانسیل‌های مثبت‌تر با دانسیته جریان بیشتر نسبت به الکترودهای اصلاح نشده، نشان داده است.

این تحقیقات از همکاری پروفسور جهانبخش رئوف، دکتر سید رضا حسینی زوارمحله، پروفسور رضا اوجانی، اعضای هیئت علمی دانشگاه مازندران و سکینه ماندگار زاد، دانشجوی دکترای شیمی تجزیه این دانشگاه حاصل شده است.