ستاد ویژه توسعه فناوری نانو

نانوپیاز تقویت شده با نیتروژن برای پیل‌های سوختی

محققان کره‌ای موفق به ساخت نانوپیاز تقویت شده با نیتروژن شدند که قابلیت جایگزینی کاتالیست پلاتین در پیل‌های سوختی را دارد.

واکنش احیای اکسیژن (ORR) درون پیل‌های سوختی یک فرآیند اساسی به شمار می‌رود که روی عملکرد آن تاثیرگذار است. در حال حاضر از کاتالیست‌های پلاتینی برای انجام فعالیت الکتروکاتالیستی در طول ORR استفاده می‌شود، اما پایداری آن کم بوده و پلاتین نیز فلزی گرانقیمت محسوب می‌شود. به همین دلیل محققان به دنبال جایگزین مناسبی برای این کاتالیست هستند.
اخیراً محققانی از کره‌جنوبی موفق به ساخت نانوپیازهای تقویت شده با نیتروژن شدند که می‌توان از آن به‌عنوان کاتالیست عاری از فلز در فرآیند ORR پیل‌های سوختی استفاده کرد.
با توجه به هزینه بالا و عملکرد محدود کاتالیست‌های پلاتین، این ماده می‌تواند جایگزین چنین کاتالیست‌هایی در پیل‌های سوختی شود. ماده جایگزین باید بتواند به‌صورت الکتروکاتالیستی در واکنش ORR شرکت کند. تاکنون مواد کربنی، نیتریدی و آلیاژی که به‌صورت تقویت شده یا کمپلکس ‌شده با یون‌های فلزی هستند برای این کار استفاده شده‌اند.
تقویت با نیتروژن می‌تواند موجب افزایش قدرت الکتروکاتالیستی شده و کارایی ORR را افزایش دهد. تاکنون مواد کربنی تقویت شده با نیتروژن نتوانسته بودند کارایی مشابه با کاتالیست‌های پلاتینی داشته باشند و همچنین سنتز آنها به سختی صورت می‌گرفت. بنابراین لازم است تا کاتالیستی غیرفلزی با فعالیت الکتروکاتالیستی بالا برای این کار سنتز شود.
این گروه تحقیقاتی نانوپیاز کربنی ساخته است و آن را با اتم‌های نیتروژن تقویت کردند. این نانوپیاز در واقع ساختار نانوالماسی دارد، به طوری که معماری نانوکربن در آن به‌صورت کروی بوده که مساحت سطحی بالا و خواص الکتریکی و مکانیکی عالی دارد.
برای تولید این نانوپیاز محققان از روش‌های انفجار خشک، آنیلینگ و سرد کردن با نیتروژن مایع استفاده کردند. با این کار محققان نانوپیاز‌های اکسید شده ساختند، سپس با روش هامر آن را اصلاح کرده و در انتها با روش پیرولیز و استفاده از اوره، نانوپیاز تقویت شده با نیتروژن به دست آوردند.
با کنترل مقدار اکسیژن در این نانوپیاز محققان موفق به کنترل نسبت مولی و غلظت گروه‌های نیتروژن‌دار در این ساختار شدند.
نتایج این پروژه در قالب مقاله‌ای با عنوان Fabrication of nitrogendoped nano-onions and their electrocatalytic activity toward the oxygen reduction reaction در نشریه Scientific Reports به چاپ رسیده است.