سنتز کاتالیستی برای بهبود واکنش‌های پیل سوختی

پژوهشگران دانشگاه اصفهان موفق به ارائه یک روش ساده و کارآمد برای سنتز نانوذرات مبتنی بر فلزات نجیب بر روی انواع بسترها شدند. این روش که بویژه در بسترهای کربنی نظیر نانولوله‌های کربنی کاربرد دارد، بدون تغییر خصوصیات ذاتی و ساختاری نانولوله‌های کربنی، امکان تهیه نانوذرات مبتنی بر پلاتین با اندازه ذرات ریزتر و توزیع اندازه ذرات محدودتر با پایداری بیشتر را فراهم می‌نماید.

نانولوله‌های کربنی، در میان بسترهای مختلف به‌دلیل دارا بودن خصوصیات ویژه به‌عنوان یک بستر جدید و مناسب برای نانوذرات، کاربردهای زیادی دارد. اما نانولوله‌های کربنی خام دارای سطوحی با خاصیت آب‌گریزی ذاتی و بی‌اثری شیمیایی هستند و لذا جایگاه‌های مناسب و کافی برای پخش نانوذرات بر روی سطح آن‌ها وجود ندارد. توزیع نانوذرات بر روی بسترها تا حدودی به‌شیوه اصلاح سطح به کار رفته بستگی دارد.

شیوه‌های متداول اصلاح سطح نانولوله‌های کربنی، عموماً روش‌هایی خسته‌کننده و وقت‌گیر هستند و در بسیاری از موارد منجر به تغییر ساختار و خصوصیات ذاتی کربن می‌شوند. در نتیجه امروزه پژوهشگران به دنبال روش‌های کارآمدتر هستند. هدف کلی این پژوهش دستیابی به یک روش سنتز ساده مبتنی بر روش تلقیح برای تهیه کاتالیست‌های مبتنی بر پلاتین بر روی بسترهای کربنی جهت واکنش‌های پیل سوختی متانولی مستقیم است. اهداف دیگری که در این روش سنتزی مدنظر است: تهیه کاتالیست‌هایی با اندازه ذرات ریزتر و توزیع اندازه ذرات محدودتر، اصلاح سطح نانولوله‌های کربنی بدون تغییر ساختار ذاتی نانولوله‌های کربنی و همچنین استفاده از روش سنتزی برای تهیه آلیاژهای مبتنی بر پلاتین و فلزات غیر نجیب در دمای بالا (۸۰۰ درجه سانتیگراد) بر روی بسترهای کربنی، بدون آنکه دمای بالا منجر به افزایش اندازه ذرات یا افزایش توزیع اندازه ذرات کاتالیست شود.

امروزه پیل‌های سوختی متانولی مستقیم به‌عنوان یک منبع انرژی سبز برای وسایل الکترونیکی و اتومبیل‌ها توجه بسیار زیادی را به خود جلب نموده‌اند. وجود برخی مشکلات اقبال عمومی از این نوع پیل‌های سوختی را با چالش‌هایی مواجه نموده است. توسعه کاتالیست‌هایی برای بهبود انجام واکنش‌های اکسایش متانول و احیای اکسیژن یکی از راهکارهای کلیدی برای توسعه و تجاری‌سازی این پیل‌های سوختی است و این طرح به طور مستقیم در صنایع پیل سوختی و سنتز کاتالیست‌های مربوط به آن کاربرد دارد و روشی ساده و ارزان را ارئه می‌دهد.

این پژوهش به‌وسیله‌ی دکتر رزگار احمدی و دکتر محمد کاظم امینی از دانشگاه اصفهان انجام گرفته است. همچنین اندازه‌گیری‌های میکروسکوپ الکترونی عبوری با تفکیک بالا (HRTEM) به‌وسیله‌ی دکتر کریگ بنت از دانشگاه آکادیا کانادا صورت گرفته است.

دکتر احمدی در رابطه با این پژوهش گفت: «نوآوری این شیوه سنتزی، امکان سنتز آلیاژهای مبتنی بر پلاتین در دمای بالا، با اندازه ذراتی حدود ۳ نانومتر بر روی نانولوله‌های کربنی است که پایداری زیادی بر روی بستر کربنی از خود نشان می‌دهند. این مزایا به علت استفاده از گوگرد عنصری به‌عنوان اصلاحگر در طی فرآیند سنتز است که امکان سنتز نانوذراتی با اندازه ریزتر، پخش شدگی مناسب‌تر و درصد آلیاژی شدن بالاتر را فراهم می‌نماید. گوگرد مورد استفاده تقریباً به‌طور کامل در انتهای سنتز و در حین عملیات حرارتی حذف می‌شود و لذا هیچ گونه اثر مسمومیتی بر روی کاتالیست‌ها برجای نمی‌ماند.»

وی با اشاره به مراحل این کار تحقیقاتی بیان کرد: «ابتدا کاتالیست‌ پلاتین بر روی سطح نانولوله‌های کربنی اصلاح شده با گوگرد سنتزشد و فعالیت کاتالیستی آن برای واکنش اکسایش متانول مورد بررسی قرار گرفت و اثر مقدار گوگرد عنصری مورد استفاده در اصلاح سطح نانولوله‌های کربنی تعیین گردید. در ادامه کاتالیست‌های آلیاژی مبتنی بر پلاتین Pt-Co بر روی سطح نانولوله‌های کربنی اصلاح شده با گوگرد سنتز‌ شدند. پس از‌شناسایی کاتالیست‌ها، فعالیت کاتالیستی آنها برای واکنش اکسایش متانول مورد بررسی قرار گرفت. در این دو بخش، کاتالیست‌های سنتز شده مورد‌شناسایی قرار می‌گیرند و فعالیت کاتالیستی آنها مورد مطالعه قرار می‌گیرد.»

دکتر احمدی با اشاره‌ به نتایج این کار تحقیقاتی، اظهار داشت: «با اصلاح سطح نانولوله‌ها با گوگرد، امکان تهیه ذراتی با اندازه کارآمدتر برای واکنش اکسایش متانول فراهم می‌گردد. گوگرد به کار برده شده در حین فرآیند تشکیل ذرات از کلوخه‌ای شدن نانوذرات در حین اصلاح گرمایی در دمای بالا ممانعت به عمل آورده و همچنین با اتصال محکم ذرات به سطح، پایداری کاتالیست را در محلول‌های اسیدی و محیط‌های الکتروشیمیایی افزایش می‌دهد. همچنین در میان همه کاتالیست‌های Pt-Co تهیه شده بر روی نانولوله‌های کربنی اصلاح شده با گوگرد، کاتالیست Pt₃Co/CNT بیشترین فعالیت الکتروشیمیایی را برای واکنش اکسایش متانول و بیشترین پایداری طولانی مدت را نشان می‌دهد.»

روش سنتز ارائه شده در این پژوهش بسیار ساده و ارزان است و نیازی به وسایل و دستگاه‌های پیشرفته ندارد، به‌علاوه با این روش چون می‌توان کاتالیست را در اندازه زیاد تولید نمود، پس این روش قابلیت تجاری شدن را نیز دارا است.

نتایج این کار تحقیقاتی در مجله Journal of Catalysis (جلد ۲۹۲، آگوست ۲۰۱۲) منتشر شده است. علاقمندان می‌توانند متن این مقاله را در صفحات ۸۱ الی ۸۹ همین شماره مشاهده نمایند.