پژوهشگران دانشگاه‌های صنعتی بابل، علوم مالزی و کنگون کره جنوبی موفق به ساخت غشاءهای نانوکامپوزیتی برای استفاده در یک پیل سوختی بیولوژیکی به عنوان منبع انرژی پاک شدند.
ساخت غشاء نانوکامپوزیت‌های تبادل‌کننده پروتونی جدید
پژوهشگران دانشگاه‌های صنعتی بابل، علوم مالزی و کنگون کره جنوبی موفق به طراحی، ساخت و بهینه‌سازی غشاءهای نانوکامپوزیتی تبادل‌کننده پروتونی جهت استفاده در یک پیل سوختی زیستی به عنوان منبع انرژی پاک در مقیاس آزمایشگاهی شدند. از ویژگی‌های برتر این غشاء تبادل‌کننده پروتونی جدید، کارآئی بهتر از نفیون و قیمت تمام شده پائین‌تر آن است.
در میان پیل‌های سوختی، پیل‌های زیستی نوع خاصی هستند که با استفاده از میکروارگانیزم‌ها/آنزیم‌ها تولید جریان الکتریکی می‌نمایند و این میکروارگانیزم‌ها کمک به واکنش اکسیداسیون/احیاء می‌نمایند. از جمله فواید مهم پیل‌های سوختی زیستی این است که آنها توانایی تبدیل انرژی شیمیایی را از یک محیط زیستی به جریان الکتریکی، بدون استفاده از کاتالیست‌های گران قیمت فلزی دارا هستند و سوخت مورد نیاز را در این سیستم‌ها می‌توان از یک محیط زیستی و حتی از یک ارگانیزم زنده و یا گیاه دریافت نمود. در طراحی پیل‌های سوختی زیستی برای تبدیل انرژی شیمیایی به انرژی الکتریکی از بیوکاتالیست‌ها (میکروارگانیزم‌ها) استفاده می‌شود که از محیط‌های طبیعی قابل ابتیاع هستند. مزیت مهم پیل‌های سوختی میکروبی در مقایسه با سایر منابع کوچک انرژی نظیر باتری‌ها قابلیت تبدیل شدن آن به مولد پیوسته جریان است به‌طوری که با تغذیه پیوسته سیستم از آن برای ماه‌ها و حتی سال‌های متوالی استفاده نمود.
سیستم تبادل پروتون می‌تواند بر سیستم پیل‌های میکروبی تأثیر گذار باشد. این تأثیر هم بر مقاومت داخلی و هم اتلاف ناشی از پلاریزاسیون غلظتی وجود دارد و آنها نیز به نوبه خود بر توان خروجی از پیل‌های میکروبی موثر هستند. نافیون از مشهورترین این غشاءها است زیرا توانایی انتقال پروتون به صورت گزینشی را دارد. با توجه به آنکه دانشمندان زیادی در تلاش هستند تا بتوانند یک تبادل‌کننده پایدار و ارزان تولید نمایند ولی هنوز هم نافیون به عنوان بهترین انتخاب است ولی اثرات جانبی عبور کاتیون‌های دیگر حتی با توجه به استفاده از نافیون نیز غیر قابل اجتناب است. به طور مثال در یک سیستم ناپیوسته تجمعی، عبور کاتیون‌های دیگر نظیر Na+، K+، NH 4+،Ca+2 و ۲+Mg بر عبور پروتون مستولی می‌گردد چون غلظت آنها در بخش آند بعد از گذشت زمان به مراتب بیشتر از غلظت پروتون می‌گردد و همچنین این غشاء بسیار گران است. هدف این تحقیق آن بوده است که با استفاده از علم فناوری نانو بتوان به یک تبادل‌کننده ارزان قیمت‌ترو همچنین دارای کارآئی مناسب در پیل سوختی میکروبی دست یافت.
دکتر مصطفی رحیم نژاد به عنوان یکی از محققان این طرح توضیح داد: «هدف از انجام این تحقیق طراحی، ساخت و بهینه‌سازی غشاء تبادل‌کننده پروتونی جهت استفاده در یک پیل سوختی زیستی به عنوان منبع انرژی پاک در مقیاس آزمایشگاهی بود، همچنین غشاءهای نانوکامپوزیتی جایگزینی مناسب برای غشاءهای تبادل پروتونی هستند، زیرا دارای خصوصیات برجسته‌ای نظیر انتقال پروتون، ارزان قیمت بودن و همچنین مقاوم نسبت به پدیده رسوب و گرفتگی غشاءهستند، در کنار این موارد، نانوذرات به‌دلیل خصوصیات منحصربه‌فردشان سبب افزایش پایداری حرارتی و مکانیکی غشاء می‌گردند و می‌توانند با توجه به نوع نانوذره مورد استفاده، گزینش پذیری یک غشاء را نیز افزایش دهند، درنتیجه با افزودن نانوذره مناسب در ماتریکس پلیمری می‌توان خصوصیات مطلوب یک غشاء را افزایش داد، از این خاصیت جهت ساخت غشاء جدید استفاده شد.»
این محققان با توجه به خصوصیات منحصربه‌فرد نانوذرات Fe3O4 همچون رسانایی مغناطیسی، راحتی ساخت، عدم الایندگی محیط زیست، توانایی کاتالیستی بالا و غیره، از این نانوذرات برای ساخت نانوکامپوزیت خود استفاده کردند. سپس با ساخت پیل‌های سوختی میکروبی و راه‌اندازی آن با غشاء تبادل‌کننده پروتونی متداول، به بررسی عملکرد غشاء جدید با غلظت‌های مختلف نانوذرات Fe3O4 پرداختند.
رحیم نژاد، عضو هیئت علمی دانشگاه صنعتی نوشیروانی بابل نیز ادامه داد: «غلظت‌های مختلفی از نانوذرات Fe3O4 تهیه شده به شبکه ماتریکس پلیمری، جهت بهبود عملکرد غشاء تبادل‌کننده پروتونی افزوده شد، غشاءهای ساخته شده در پیل سوختی میکروبی دو محفظه‌ای مورد استفاده قرار گرفت. بالاترین چگالی توان و جریان ( ۲۰mW.m-2 و ۱۴۸mA.m-2) در غلظت ۱۵% از نانوذرات Fe3O4 به‌دست آمده است، این توان الکتریکی تولید شده حتی بیشتر از غشاء انتخاب شده در اغلب پیل‌های سوختی میکروبی (غشاءهای متداول نفیون) بوده است.» به گفته رحیم نژاد این تحقیقات در فاز بعدی برای بهبود راندمان هر چه بیشتر و افزایش توان تولیدی در حال اجرا است. وی در تکمیل این گفته، افزود: «با ادامه تحقیقات و تکمیل هرچه بیشتر نتایج، امید بسیار فراوانی جهت تجاری شدن این تحقیق و تبدیل آن به یک محصول را داریم.»
نتایج این تحقیقات که به دست دکتر رحیم نژاد و همکاران وی صورت گرفته است، در مجله Electrochimica Acta (جلد ۸۵، ۱۵ دسامبر، سال ۲۰۱۲) منتشر شده است. علاقه‌مندان می‌توانند متن کامل مقاله را در صفحات ۷۰۰ تا ۷۰۶ همین شماره مشاهده نمایند.
