محققانی در آزمایشگاه ملی بروکهاون وزارت انرژی آمریکا، دسته جدیدی از نانوکاتالیست‌ها را شناسایی کرده‌اند که می‌توانند عملکرد پیل‌های سوختی را بهبود دهند. این محققان با هدف تولید هیدروژن خالص و تمیز، برای واکنش‌های پیل سوختی، شرح داده‌اند که چرا دو نانوکاتالیست تولیدی جدید سریا– طلا و تیتانیا– طلا، فعالیت بسیار زیادی را از خود نشان می‌دهند.
فعالیت بسیار زیاد و غیرمنتظره نانوکاتالیست‌های پیل سوختی
محققانی در آزمایشگاه ملی بروکهاون وزارت انرژی آمریکا، دسته جدیدی از نانوکاتالیست‌ها
را شناسایی کرده‌اند که می‌توانند عملکرد پیل‌های سوختی را بهبود دهند. این محققان
با هدف تولید هیدروژن خالص و تمیز، برای واکنش‌های پیل سوختی، شرح داده‌اند که چرا
دو نانوکاتالیست تولیدی جدید سریا– طلا و تیتانیا– طلا، فعالیت بسیار زیادی را از
خود نشان می‌دهند.
یکی از مشکلات اصلی این فناوری این است که مواد غنی از هیدروژنی که به‌عنوان خوراک
این واکنش استفاده می‌شوند، اغلب شامل منواکسیدکربن(CO) است که در مدت تولید
هیدروژن تشکیل می‌شود. در یک پیل سوختی، منواکسیدکربن کاتالیست‌های مبتنی بر پلاتین
آلوده می‌کند و بازده آنها را کاهش می‌دهد، در نتیجه این کاتالیست‌ها بعد از مدتی
باید تعویض شوند. جوز ردیگوِز، یکی از این محققان، گفت: «واکنش‌های پیل سوختی
فرایندهای خیلی مهمی هستند که نیاز به هیدروژن خیلی خالص دارند. ما نیازمند راهی
برای حذف این ناخالصی‌ها هستیم و واکنش جابه‌جایی آب–گاز (WGS) نقش مهمی در حذف این
ناخالصی‌ها بازی می‌کند».
واکنش جابه‌جایی آب–گاز، مونواکسیدکربن را با آب برای تولید گاز هیدروژن اضافی و دی
اکسیدکربن ترکیب می‌کند. با کمک کاتالیست‌های مناسب، این فرایند می‌تواند تقریباً
صددرصد مونواکسیدکربن را به دی اکسیدکربن تبدیل کند. گروه ردریگوز ـ که شامل
محققانی از دپارتمان شیمی بروکهاون، مرکزی برای نانومواد عملکردی(CFN) و دانشگاه
مرکزی ونزوئلاست ـ دو کاتالیست نانومقیاس WGS تولیدی جدید اکسید سریم– طلا و اکسید
تیتانیوم– طلا را مطالعه کرده‌است. جان هریک، شیمی‌دان بروکهان، گفت: «این نانومواد
اخیراً به‌عنوان کاتالیست‌های خیلی مؤثر برای واکنش WGS گزارش شده‌اند. این یک
یافته متحیر‌کننده بود، زیرا نه طلای توده‌ای و نه سریا و تیتانیای توده‌ای، فعالیت
کاتالیستی دارند».
این محققان برای تعیین چگونگی کار این نانوکاتالیست‌ها، به‌اصطلاح کاتالیست‌های مدل
معکوس را توسعه داده‌اند. کاتالیست‌های WGS معمولاً شامل نانوذرات طلای پراکنده روی
سطح تیتانیا یا سریا هستند(مقدار کمی از فلز گران‌بها روی سطح اکسید ارزان‌قیمت
قرار داده می‌شود)، اما این محققان برای درک بهتر برهم‌کنش‌های سطحی، نانوذرات
تیتانیا یا سریا را روی سطح یک طلای خالص قرار دادند.
ردریگوز گفت: «برای اولین بار ما گزارش کردیم که اگر چه طلای خالص برای واکنش WGS
بی‌اثر است، اما اگر شما مقدار کمی سریا یا تیتانیا را روی آن قرار دهید، بی‌نهایت
فعال می‌شود، بنابراین اگرچه این کاتالیست‌ها فقط مدل هستند، اما آنها فعالیت
کاتالیستی قابل مقایسه‌ای با(در بعضی مواقع بهتر از) نمونه‌های واقعی دارند».
این محققان با استفاده از روش طیف‌بینی فوتوالکترونی اشعه x در منبع نور سینکروترون
ملی بروکهاون، میکروسکوپ تونل‌زن پیمایشگر و محاسبات، کشف کردند که اکسیدهای این
کاتالیست‌ها دلیلی برای فعالیت بالای آنها هستند.
هریک گفت: «این اکسیدها در مقیاس نانو خواص بی‌نظیری دارند و قادر به تجزیه
مولکول‌های آب که مشکل‌ترین مرحله واکنش WGS هستند». پینگ لیو، فیزیک‌دان بروکهاون،
اضافه کرد: «بعد از اینکه شما مولکول‌های آب را تجزیه کردید، این واکنش برای حذف CO
ادامه می‌یابد، اما اگر شما ذرات اکسیدی نانواندازه نداشته باشید، این اتفاق نخواهد
افتاد».
نتایج این تحقیق در مجله Science منتشر شده‌است.
