فناوری‌نانو در ساخت پیل‌های سوختی بهتر

دکتر ویجایاموهانان پیلای، از آزمایشگاه ملی شیمی واقع در پون کشور هند، به همراه
گروهش توانست با به‌کارگیری نانولوله‌های کربنی تک‌جداره عامل‌دارشده با اسید
سولفونیک(S-SWCNTs) یک روش شیمیایی برای افزایش محتوای اسید سولفونیک غشاءهای نفیون
را توسعه دهد و کارایی قابل توجه این غشاءهای ترکیبی را به‌عنوان الکترولیت در
کاربردهای پیل‌های سوختی غشای الکترولیت پلیمری(PEMFC) نشان دهد.

پیلای چنین توضیح می‌دهد:«یک بهبود در رسانایی پروتون غشای الکترولیت حتی با یک
مرتبه بزرگی، می‌تواند عملکرد پیل‌های سوختی را به‌طور رؤیایی تغییر دهد. همینک از
غشاهای ساخته‌شده از نفیون(اسید سولفونیک در شکل یک
پلیمر جامد) به‌عنوان غشای الکترولیت پلیمری(PEM) در پیل‌های سوختی ـ که در دماهای
۸۰^oC-60 کار می‌کنند ـ به‌طور گسترده‌ای استفاده می‌شود.
اگرچه این غشاهای پیشرفته رسانایی‌های خوبی برای پروتون، در محدوده ۰۱/۰-۱/۰ زیمنس
بر سانتی‌متر در محیط مرطوب دارند؛ ولی دارای محدودیت‌های زیادی نیز هستند که
عبارتند از: وابستگی به آب برای رسانایی الکتریکی؛ نفوذپذیری بالا برای متانول؛ و
میل به تجزیه‌ شدن در حضور رادیکال‌های هیدروکسی، یک مداخل‌کننده در واکنش کاتدی و
پایداری شیمیایی و مکانیکی متوسط.
پیلای می‌گوید که تلاش‌های مهمی از سوی محققان پیل سوختی، در جهت توسعه مواد ترکیبی
صورت گرفته که می‌تواند قابلیت‌های نفیون را در نگهداری آب بالا ببرد، به گونه‌ای
که در دماهای بالا، رسانایی پروتون را از دست ندهد. او می‌گوید:«ما در کار خود از
نانولوله‌های کربنی عامل‌دارشده با اسید سولفونیک در ماتریس نفیون استفاده کرده‌ایم
و توانسته‌ایم تعداد گروه‌های اسید سولفونیک را ـ که یک عامل کلیدی در رسانایی آن
است ـ در این غشا افزایش دهیم.»
استفاده از نانولوله‌های کربنی تک‌جداره می‌تواند پایداری مکانیکی غشاهای ترکیبی را
نسبت به غشاهای نفیون افزایش دهد؛ بنابراین می‌تواند قیمت‌ها را در فناوری PEMFC
پایین آورد.
پیلای توضیح می‌دهد که رسانایی بالای پروتون در نفیون به ساز و کاری که در آن
سازمان‌دهی مجدد پیوندهای هیدرژنی یک نقش کلیدی بازی می‌کنند، مربوط می‌شود. همین
که اسید سولفونیک‌های اضافی در سطح نانولوله‌های تک‌جداره قرار می‌گیرد، شرایط خوبی
را برای جست‌وخیز آسان پروتون آماده می‌کند که این عمل به نوبه خود باعث افزایش
تحریک‌پذیری پروتون و بالا رفتن رسانایی می‌شود. غشاهای ترکیبی نفیون/نانولوله‌های
کربنی تک‌جداره عامل‌دارشده، تقریباً یک مرتبه بزرگی رسانایی بالاتری دارند، در عوض
ما فهمیده‌ایم که غشاهای ترکیبی نفیون/نانولوله‌های کربنی تک‌جداره عامل‌دارنشده،
هیچ بهبودی در رسانایی پروتون نشان نمی‌دهند.
این کار راه تازه‌ای برای طراحی الکترولیت‌های پلیمری برای چشمه‌های توان
الکتروشیمیایی؛ مانند پیل‌های سوختی گشوده‌است و نشان می‌دهد که جدای از بهبود قابل
توجه در رسانایی پروتون، غشاهایی که به‌طور مناسبی با به‌کارگیری نانولوله‌های
کربنی عامل‌دارشده طراحی شده‌اند، قادر خواهند بود که بدون لطمه زدن به رسانایی
پروتون، نفوذپذیری متانول را کاهش دهند.
نتایج این تحقیق در مجله Angewandte Chemie International Edition منشر شده‌است.