پژوهشگران دانشگاه مراغه با همکاری محققانی از آکادمی علوم چین، دانشگاه نینگبو و دانشگاه ونژو، نانوکاتالیزور جدیدی طراحی کردهاند که میتواند عملکرد باتریهای روی-هوا را به طور قابل توجهی بهبود دهد. این کاتالیزور از اتصال مولکولهای فتالوسیانین آهن به نانوساختارهای کربنی توخالی حاوی مراکز فعال کبالت-نیتروژن ساخته شده و به گونهای طراحی شده است که تعداد بیشتری از مراکز فعال واکنش کاهش اکسیژن را در دسترس قرار دهد. نتایج آزمایشها نشان میدهد این ماده نهتنها در واکنش کاهش اکسیژن عملکردی بهتر از بسیاری از کاتالیزورهای متداول دارد، بلکه در باتری روی-هوا نیز ولتاژ، چگالی توان، ظرفیت ویژه و پایداری چرخهای بالاتری نسبت به کاتالیزورهای تجاری مبتنی بر فلزات گرانبها مانند پلاتین ارائه میدهد. این دستاورد میتواند گامی مهم در توسعه سامانههای ذخیره و تبدیل انرژی پاک با هزینه کمتر و دوام بیشتر باشد.
پژوهشگران دانشگاه مراغه کاتالیزوری نانویی برای افزایش کارایی باتریهای روی-هوا توسعه دادند
با گسترش استفاده از انرژیهای تجدیدپذیر، نیاز به سامانههای ذخیرهسازی انرژی کارآمد، ارزان و پایدار بیش از گذشته احساس میشود. باتریهای روی-هوا یکی از گزینههای امیدوارکننده برای این منظور هستند، زیرا از چگالی انرژی بالا، ایمنی مناسب و هزینه نسبتاً پایین برخوردارند. با این حال، عملکرد این باتریها تا حد زیادی به سرعت واکنش کاهش اکسیژن (ORR) در الکترود هوا وابسته است؛ واکنشی که به طور طبیعی کند انجام میشود و یکی از مهمترین موانع افزایش بازده این فناوری به شمار میرود.
در همین راستا، پژوهشگران دانشگاه مراغه با همکاری محققانی از آکادمی علوم چین، دانشگاه نینگبو و دانشگاه ونژو، نانوکاتالیزور جدیدی طراحی کردهاند که میتواند این محدودیت را تا حد زیادی برطرف کند. بخش نانویی این پژوهش در طراحی نانوساختارهای کربنی توخالی موسوم به «نانونی کربنی» (Carbon Nanostraws) و ایجاد مراکز فعال کبالت-نیتروژن (Co-Nx) در مقیاس نانو نهفته است. این نانوساختارها به عنوان بستری برای تثبیت مولکولهای فتالوسیانین آهن (FePc) عمل میکنند و با افزایش سطح فعال و بهبود انتقال الکترون، کارایی کاتالیزور را به شکل محسوسی افزایش میدهند.
پژوهشگران برای ساخت این ماده، ابتدا پیشمادهای بر پایه چارچوبهای آلی فلزی (MOF) حاوی ایندیوم و کبالت تهیه کردند. این پیشماده با استفاده از اصل همشکلی (Isomorphism) سنتز شد تا یونهای کبالت به طور یکنواخت در ساختار آن توزیع شوند. سپس طی فرآیند کربنیزه کردن و نیتریداسیون در دمای بالا، ساختاری توخالی و لولهمانند از کربن به دست آمد که در آن تعداد زیادی مراکز فعال Co-Nx ایجاد شده بود.
در مرحله بعد، مولکولهای فتالوسیانین آهن روی این نانوساختار تثبیت شدند. فتالوسیانین آهن یکی از شناختهشدهترین کاتالیزورهای مولکولی برای واکنش کاهش اکسیژن است و به دلیل وجود ساختار فعال Fe-N₄، توانایی بالایی در تسریع این واکنش دارد. با این حال، این مولکولها معمولاً تمایل دارند به یکدیگر بچسبند و تجمع پیدا کنند؛ موضوعی که باعث کاهش تعداد مراکز فعال و افت عملکرد کاتالیزور میشود.
نتایج این پژوهش نشان داد که حضور مراکز Co-Nx این مشکل را تا حد زیادی برطرف میکند. این مراکز نهتنها ساختار Fe-N₄ را تنظیم و پایدار میکنند، بلکه از تجمع بیش از حد مولکولهای فتالوسیانین آهن نیز جلوگیری کرده و تعداد بیشتری از مراکز فعال را در معرض واکنش قرار میدهند. علاوه بر این، ساختار توخالی نانونیهای کربنی مسیرهای انتقال الکترون و نفوذ اکسیژن را کوتاهتر کرده و دسترسی واکنشدهندهها به مراکز فعال را افزایش میدهد.
آزمایشهای الکتروشیمیایی نشان داد نانوکاتالیزور FePc@HCoNC عملکرد بسیار مطلوبی در واکنش کاهش اکسیژن دارد. این ماده پتانسیل آغاز واکنش برابر با ۰٫۹۸۳ ولت، پتانسیل کاهش اکسیژن ۰٫۹۰۳ ولت و پتانسیل نیمموج ۰٫۹۱۴ ولت را ثبت کرد. همچنین چگالی جریان محدودکننده آن به ۵٫۱۸ میلیآمپر بر سانتیمتر مربع رسید که نشاندهنده فعالیت بالای کاتالیزوری آن است.
برای ارزیابی عملکرد عملی، پژوهشگران از این نانوکاتالیزور در ساخت باتریهای روی-هوا استفاده کردند. نتایج نشان داد باتری ساختهشده با این کاتالیزور دارای ولتاژ مدار باز ۱٫۵۲۴ ولت و حداکثر چگالی توان ۱۵۳٫۰۶ میلیوات بر سانتیمتر مربع است. این مقادیر از عملکرد کاتالیزور تجاری مبتنی بر پلاتین (Pt/C) نیز فراتر رفت که نشاندهنده توان بالای این ماده در کاربردهای واقعی است.
از دیگر نتایج مهم این مطالعه، دستیابی به ظرفیت ویژه تخلیه ۷۵۸٫۱ میلیآمپرساعت بر گرم بود. همچنین باتری توانست نزدیک به ۱۵۰ ساعت عملکرد پایدار و مداوم را بدون افت محسوس کارایی حفظ کند؛ موضوعی که از دوام بالای این نانوکاتالیزور در شرایط عملیاتی حکایت دارد. این عملکرد حتی از سامانههای متداول مبتنی بر Pt/C-RuO₂ نیز بهتر گزارش شده است.
به گفته پژوهشگران، علت اصلی این بهبود عملکرد، همافزایی میان مراکز فعال Fe-N₄ و Co-Nx است. این دو نوع مرکز فعال با همکاری یکدیگر، انرژی لازم برای انجام واکنش کاهش اکسیژن را کاهش میدهند و انتقال الکترون را تسهیل میکنند. در نتیجه، واکنش با سرعت بیشتری انجام شده و بازده باتری افزایش مییابد.
یکی دیگر از مزیتهای این روش، استفاده از چارچوبهای آلی فلزی به عنوان پیشماده است. این مواد امکان کنترل دقیق ساختار، توزیع فلزات و ایجاد نقصهای مهندسیشده را فراهم میکنند و به پژوهشگران اجازه میدهند ویژگیهای نانوکاتالیزور را متناسب با نیاز کاربردهای مختلف تنظیم کنند.
پژوهشگران در پایان تأکید میکنند که این دستاورد میتواند مسیر توسعه کاتالیزورهای ارزان و بدون فلزات گرانبها را هموار کند. کاهش وابستگی به پلاتین و سایر فلزات کمیاب، علاوه بر کاهش هزینه تولید، امکان تجاریسازی گستردهتر باتریهای روی-هوا و دیگر سامانههای تبدیل و ذخیره انرژی را فراهم خواهد کرد.
به اعتقاد محققان، راهبرد اتصال مولکولهای فعال آهن به نانوساختارهای کربنی دارای مراکز Co-Nx، تنها به باتریهای روی-هوا محدود نمیشود و میتواند در توسعه پیلهای سوختی، سامانههای الکتروشیمیایی و سایر فناوریهای مرتبط با انرژی پاک نیز مورد استفاده قرار گیرد؛ موضوعی که این نانوکاتالیزور را به گزینهای امیدوارکننده برای نسل آینده تجهیزات ذخیره و تبدیل انرژی تبدیل میکند.
