ساخت آندهای بهینه‌تر برای پیل‌‌های سوختی در دانشگاه تبریز

پژوهشگران دانشگاه تبریز با استفاده از تیتانیوم به عنوان زیرلایه و آندایزینگ آن در محلول‌‌های آلی، موفق به ایجاد لایه متخلخلی از نانولوله‌‌های دی اکسید تیتانیوم بر روی سطح تیتانیوم شدند. همچنین این پژوهشگران با پخش نانوذرات پلاتین بر روی این زیرلایه، الکتروکاتالیست‌‌هایی با مساحت سطح زیاد را تولید کردند. نانولوله‌‌های دی اکسیدتیتانیوم به خاطر ویژگی‌‌های منحصر به فرد خود، می‌‌توانند به عنوان یک بستر مناسب برای دوپ کردن انواع نانوذرات مخصوصاً فلزات نجیب استفاده شود.

پیل سوختی یک مبدل انرژی شیمیایی به انرژی الکتریکی است. هر سلول در پیل‌های سوختی از سه جزء آند، کاتد و الکترولیت تشکیل شده‌است. پیل‌های سوختی می‌توانند سوخت‌های مختلف مانند الکل‌ها، قندها، هیدرازین و … را مورد استفاده قرار دهند. با وجود پیشرفت‌های زیاد در زمینه پیل‌های سوختی؛ به دلیل هزینه بالای آندهای بکار رفته در پیل‌های سوختی، تاکنون این پیل‌ها به مرحله تجاری سازی نرسیده‌اند.

معمولا از پلاتین و دیگر فلزات نجیب به عنوان آند استفاده می‌کنند که این آندها بسیار گرانقیمت بوده و از فعالیت الکتروکاتالیستی پائینی برخوردارند. به منظور کاهش میزان فلزات نجیب بکار رفته و در نتیجه کاهش قیمت تمام شده پیل‌ها و همچنین برای افزایش خواص الکتروکاتالیستی الکترودها تلاش‌های زیادی انجام گرفته تا از طریق پخش نانوذرات فلزاتی بر روی بسترهای خلل و فرجدار و ارزانقیمت به این اهداف نائل شوند.

دکتر میرقاسم حسینی در این باره گفت: «با آگاهی به این که تیتانیوم فلز فعالی است و به سرعت در هوای معمولی، اکسید شده و لایه‌‌ای چسبنده از اکسید تیتانیوم بر روی سطح تیتانیوم ایجاد می‌‌شود و از انجام مراحل بعدی جلوگیری می‌کند، تصمیم بر آن شد تا اولین مرحله، برداشتن این زیرلایه باشد که با استفاده از روش‌‌های مختلف به این مهم نائل شدیم. بعد از حذف اکسید تیتانیوم غیریکنواخت و چسبنده از روی سطح تیتانیوم، از طریق روش آندایزینگ الکتروشیمیایی، نانولوله‌‌های دی اکسید تیتانیوم با ساختار بسیار منظم بر روی سطح تیتانیوم ایجاد کرده، سپس نانوذرات پلاتین را در داخل نانولوله‌‌های دی اکسید تیتانیوم ایجاد شده، پخش کردیم. در ادامه فعالیت الکتروکاتالیستی آن‌‌ها را در اکسیداسیون الکتروشیمیایی متانول مورد مطالعه قرار دادیم.»

در این طرح، که با همکاری محمد محسن مومنی هامانه دانشجوی ترم آخر دوره دکترای شیمی فیزیک در گرایش الکتروشیمی انجام شده است، بعد از تهیه نانولوله‌‌های بهینه از طریق دوپ کردن نانوذرات فلزی مختلف، الکترودهایی با مساحت سطح زیاد ایجاد شد و پس از مطالعه بررسی ساختار و مورفولوژی آن‌‌ها، فعالیت آن‌‌ها به عنوان آند در پیل‌‌های سوختی مختلف مورد مطالعه قرار گرفت. مطالعات الکتروشیمی اکسیداسیون الکتروشیمیایی سوخت‌‌ها برروی الکترودهای حاصل نشان داد که در مقایسه با الکترودهای بالک (صاف)، این الکترودها از مساحت سطح زیاد و قابلیت مسموم شدن کمتر برخوردارند و بنابراین با توجه به قیمت تمام شده پائین‌‌تر و فعالیت الکتروکاتالیستی مناسب‌‌تر می‌‌توانند به عنوان آندهای موثر در کاربردهای سل‌‌های سوختی مورد استفاده قرار گیرند.

تکرارپذیر بودن نتایج، کاهش مسمومیت سطح الکترود در اثر جذب حدواسط‌‌های حاصل از واکنش، قیمت تمام شده پائین، پاک شدن سطح الکترود مسموم شده از آلودگی‌‌ها تحت تابش نورUV و ایجاد سطح تازه و تمیزی از الکترود، سهولت تهیه و … از دیگر ویژگی‌‌های این الکترود است.

وی عنوان کرد: «در مقایسه با سایر زیرلایه‌های بکار رفته در پژوهش‌های دیگر، تهیه سابستریت‌های متخلخل دی اکسید تیتانیوم با ساختار بسیار منظم و یکنواخت، کار بسیار راحت و ساده‌ای است و با تنظیم پارامترهای مختلف از قبیل دما، زمان، ولتاژ، جریان و نوع الکترولیت بکار رفته، به راحتی می‌‌توان نوع مورفولوژی نانولوله‌‌های دی اکسید تیتانیوم را کنترل کرد. همچنین کار کردن با الکترودهای جدید به مراتب آسان‌‌تر و در عین حال در مقایسه با الکترودهای مشابه، از فعالیت الکتروکاتالیستی به مراتب بیشتری برخوردارند. به خاطر خلل و فرج دار بودن سطح الکترود، مسمومیت در این الکترودها بسیار کمتر و دیرتر اتفاق می‌‌افتد.»

نتایج این کار تحقیقاتی در مجله Electrochimica Acta (جلد ۷۰، ۳۰ ماه می سال ۲۰۱۲) منتشر شده است. علاقمندان می‌توانند متن این مقاله را در صفحات ۱ الی ۹ همین شماره مشاهده نمایند.