پژوهشگران دانشگاه صنعتی شریف، با انجام محاسبات نظری، موفق به انتخاب
نانوفلزاتی شدند که فعالیت بیشتری برای کاهش اکسیژن در عملکرد پیل سوختی از خود
نشان می‌دهند.
آقای رمضان عرب، دانشجوی دکتری شیمی (گرایش شیمی فیزیک)، در گفتگو با بخش خبری سایت
ستاد ویژه‌ی توسعه‌ی فناوری نانو گفت: «قسمت عمده‌ای از افت کارایی در پیل سوختی به
دلیل اضافه ولتاژ زیاد کاهش اکسیژن در کاتد است. همچنین در پیل‌های سوختی که در
آنها از الکل‌هایی مانند متانول و اتانول به عنوان سوخت استفاده می‌شود، نشت این
الکل‌ها از بخش آندی به قسمت کاتدی معمولا باعث مسمومیت الکترود اکسیژن و افت بیشتر
ولتاژ و در نهایت کارایی پیل می‌گردد. بنابراین طراحی کاتالیست‌های مناسب که فعالیت
خوبی برای واکنش کاهش اکسیژن داشته و در عین حال مقاومت خوبی در مقابل مسمومیت با
الکل‌ها دارند، همواره مورد توجه بوده‌است».
وی افزود: «در فرایند کاهش اکسیژن، یکی از پارامترهایی که بر سرعت واکنش، موثر است،
جذب اکسیژن و حد واسط‌های ناشی از کاهش اکسیژن مانند پراکسید (H2O2) و هیدرواکسید(OH) روی سطح الکترود است. بنابراین مطالعه‌ی نظری جذب این گونه‌ها روی
سطح الکترود می‌تواند اطلاعاتی در مورد سینتیک و مکانیزم فرایند کاهش اکسیژن در
دسترس قرار داده، همچنین در انتخاب فلزات و آلیاژهای مناسب برای کاهش اکسیژن مورد
استفاده قرار گیرد».
آقای عرب از روش نظری تابعی دانسیته و روش‌های گرادیان تعمیم یافته مانند B3PW91
برای تفسیر و توضیح خواص سیستم‌ها در حالت پایه استفاده نموده‌است، همچنین برای
بالا بردن دقت محاسبات خود از تابع پایه‌ی LANL2TZ(f) برای نانوخوشه‌های پالادیم/مس
و برای جذب اکسیژن نیز از تابع پایه‌ی MG3S استفاده کرده‌است.
نتایج این تحقیق نشان می‌دهد که با افزایش بار منفی به نانوخوشه‌ها، مدل‌های جذب
اکسیژن مولکولی و اتمی و همچنین پایدارترین حالت جذبی تغییر می‌کند. افزایش مقدار
مس در نانوخوشه‌های خنثی انرژی جذب اکسیژن مولکولی و اتمی را کاهش می‌دهد، در حالی
که در نانوخوشه‌های منفی باعث افزایش انرژی جذب اکسیژن مولکولی و اتمی می‌گردد.
همچنین افزایش مقدار مس در نانوخوشه‌های خنثی و منفی باعث تضعیف پیوند اکسیژن
مولکولی شده که می‌تواند در نهایت باعث جذب تفکیکی اکسیژن روی نانوخوشه‌ها شود.
البته این اثر در نانوخوشه‌های منفی شدیدتر است.
آقای عرب اظهار داشت: «تفکیک اکسیژن مولکولی روی نانوخوشه‌های خنثی و منفی واکنشی
گرمازا بوده و از لحاظ ترمودینامیکی انجام‌پذیر است. همچنین نانوخوشه‌های
مس/پالادیوم تمایل بیشتری برای تفکیک اکسیژن نسبت به نانوخوشه‌‌ی پالادیوم خالص
دارند. شاید به همین دلیل آلیاژهای مس- پالادیوم هنگام کاهش اکسیژن تولید پراکسید
نمی‌کنند، در حالی که روی پالادیوم خالص پراکسید تولید می‌شود».
آقای عرب در پایان گفت: «در طراحی پیل‌های سوختی، به کمک این محاسبات نظری
می‌توانیم فلزی را انتخاب کنیم که فعالیت بیشتری برای کاهش اکسیژن داشته باشد».
جزئیات این پژوهش -که در قالب رساله‌ی دکتری آقای عرب با راهنمایی دکتر فریدون گبل
و همکاری آقای مسعود نهالی در دانشکده‌ی شیمی دانشگاه صنعتی شریف انجام شده- در
مجله‌یJournal of Molecular Structure: THEOCHEM (جلد ۹۵۹، صفحات ۲۱-۱۵، سال ۲۰۱۰)
منتشر شده‌است.
|
