محققان دانشگاه آزاد اسلامی واحد شهرضا با استفاده از فناوری نانو موفق به ساخت نوعی نانوکاتالیست شده‌اند که عملکرد پیل‌های سوختی را بهبود می‌بخشد. در ساخت این کاتالیست از مواد طبیعی و با منابع گسترده و غنی در کشور استفاده شده و از این رو هزینه‌ی ساخت پایینی
شهرضا: افزایش کارایی پیل‌های سوختی به کمک نانوکاتالیست‌ها
با توجه به پیشرفت سریع فناوری و ناگزیر بودن انسان در استفاده از منابع انرژی، آلودگی‌های بیش از حد در محیط زیست ایجاد شده و منابع انرژی کاهش یافته است. لذا ابداع و توسعه‌ی منابع جدید انرژی به جای سوخت‌های فسیلی، امری اجتناب ناپذیر است. در سال‌های اخیر استفاده از پیل‌های سوختی بسیار مورد توجه قرار گرفته است. پیل‌های سوختی کــاربردهای وسیعی داشته و می‌توانند به صورت ثابت (لوازم خانگی) و متحرک (اتوبوس، ماشین‌ها و غیره) مورد استفاده قرار گیرند.
به گفته‌ی دکتر علیرضا نظامزاده اژیه، در این تحقیق تلاش شده تا از الکترودهای ارزان قیمت خمیر کربن و اصلاح آن‌ها توسط حدواسط‌های مناسب، کاتالیست‌های مناسبی برای استفاده در پیل‌های سوختی متانولی ساخته شود.
در پیل‌های سوختی متانولی، انرژی الکتریکی به وسیله‌ی اکسایش الکتروشیمیایی متانول بدست می‌آید. این فرایند تولید انرژی با تولید آب، آلودگی به محیط زیست وارد نمی‌کند. همچنین متانول، نسبت به سیستم‌های پلیمر لیتیم و هیدروژن، دارای دانسیته‌ی انرژی بالاتری است که باعث می‌شود برای مدت زمان بیشتری انرژی الکتریکی تولید کند و توانایی شارژ آنی را نیز داشته باشد.
نظامزاده اژیه در ادامه به اهمیت ساخت این کاتالیست اشاره کرد و افزود: «در پیل‌های سوختی متانولی، هر چه متانول راحت‌تر اکسید شود، کارایی پیل افزایش می‌یابد. اما مشکلاتی مانند روند کند اکسایش متانول و آلودگی سطح الکترودهای معمولی، باعث شده است که ساخت و بکارگیری کاتالیست‌های جدید برای جبران این محدودیت، اهمیت بالایی پیدا کند. به همین منظور در این پژوهش از الکترود خمیر کربن اصلاح شده با نانوذرات زئولیت طبیعی کلینوپتیلولیت تعویض یون شده با کاتیون نیکل(II)، به عنوان الکتروکاتالیست اکسایش متانول استفاده شده است.»
این محقق دلیل انتخاب زئولیت استفاده شده در ساخت کاتالیست را بدین شرح بیان کرد: «به طور کلی زئولیت‌ها، ترکیبات دوستدار محیط زیستند که به دلیل وجود مواد معدنی کم ضرر مثل الومینیوم و سیلیسیم در ساختار خود، از لحاظ شیمیایی، مکانیکی و حرارتی پایدار هستند. خوشبختانه، وجود منابع غنی زئولیتی طبیعی بخصوص زئولیت کلینوپتیلولیت در کشور، هزینه‌ی ساخت این کاتالیست را به طور قابل ملاحظه‌ای کاهش می‌دهد. از طرفی استفاده از زئولیت طبیعی سرعت فرایند را نیز افزایش می‌دهد. حذف مراحل ساخت زئولیت (نسبت به ساخت زئولیت مصنوعی و یا دیگر کاتالیست‌های مصنوعی) دلیل افزایش سرعت تهیه‌ی کاتالیست مورد نظر و کاهش هزینه‌های آن است. علاوه بر این، روش مکانیکی به کار رفته در تهیه‌ی نانوذرات نیز آلودگی به محیط زیست وارد نمی‌کند.»
کاهش پتانسیل لازم جهت واکنش متانول در سطح الکترود و نیز ایجاد جریان بیشتر به معنای کارایی بهتر پیل‌های سوختی است که از نقطه نظر اقتصادی حائز اهمیت فراوانی است. کاتالیست ساخته شده در این طرح، اضافه ولتاژ لازم جهت اکسایش متانول را نسبت به الکترود پلاتین حدود ۵۰۰ میلی ولت کاهش داده و افزایش چشمگیری در جریان حاصل ایجاد کرده است. به عبارتی اکسایش متانول در حضور این کاتالیست به مراتب آسان‌تر شده است.
نتایج این کار در مجله‌ی ELECTROCHIMICA ACTA (جلد ۱۴۷، شماره ۱، سال ۲۰۱۴، صفحات ۵۷۲ تا ۵۸۱) چاپ شده و حاصل همکاری دکتر علیرضا نظامزاده اژیه- عضو هیأت علمی دانشگاه آزاد اسلامی واحد شهرضا- و محمد حسین شیخ محسنی- کارشناس ارشد شیمی کاربردی از این دانشگاه- است.
به گفته‌ی دکتر علیرضا نظامزاده اژیه، در این تحقیق تلاش شده تا از الکترودهای ارزان قیمت خمیر کربن و اصلاح آن‌ها توسط حدواسط‌های مناسب، کاتالیست‌های مناسبی برای استفاده در پیل‌های سوختی متانولی ساخته شود.
در پیل‌های سوختی متانولی، انرژی الکتریکی به وسیله‌ی اکسایش الکتروشیمیایی متانول بدست می‌آید. این فرایند تولید انرژی با تولید آب، آلودگی به محیط زیست وارد نمی‌کند. همچنین متانول، نسبت به سیستم‌های پلیمر لیتیم و هیدروژن، دارای دانسیته‌ی انرژی بالاتری است که باعث می‌شود برای مدت زمان بیشتری انرژی الکتریکی تولید کند و توانایی شارژ آنی را نیز داشته باشد.
نظامزاده اژیه در ادامه به اهمیت ساخت این کاتالیست اشاره کرد و افزود: «در پیل‌های سوختی متانولی، هر چه متانول راحت‌تر اکسید شود، کارایی پیل افزایش می‌یابد. اما مشکلاتی مانند روند کند اکسایش متانول و آلودگی سطح الکترودهای معمولی، باعث شده است که ساخت و بکارگیری کاتالیست‌های جدید برای جبران این محدودیت، اهمیت بالایی پیدا کند. به همین منظور در این پژوهش از الکترود خمیر کربن اصلاح شده با نانوذرات زئولیت طبیعی کلینوپتیلولیت تعویض یون شده با کاتیون نیکل(II)، به عنوان الکتروکاتالیست اکسایش متانول استفاده شده است.»
این محقق دلیل انتخاب زئولیت استفاده شده در ساخت کاتالیست را بدین شرح بیان کرد: «به طور کلی زئولیت‌ها، ترکیبات دوستدار محیط زیستند که به دلیل وجود مواد معدنی کم ضرر مثل الومینیوم و سیلیسیم در ساختار خود، از لحاظ شیمیایی، مکانیکی و حرارتی پایدار هستند. خوشبختانه، وجود منابع غنی زئولیتی طبیعی بخصوص زئولیت کلینوپتیلولیت در کشور، هزینه‌ی ساخت این کاتالیست را به طور قابل ملاحظه‌ای کاهش می‌دهد. از طرفی استفاده از زئولیت طبیعی سرعت فرایند را نیز افزایش می‌دهد. حذف مراحل ساخت زئولیت (نسبت به ساخت زئولیت مصنوعی و یا دیگر کاتالیست‌های مصنوعی) دلیل افزایش سرعت تهیه‌ی کاتالیست مورد نظر و کاهش هزینه‌های آن است. علاوه بر این، روش مکانیکی به کار رفته در تهیه‌ی نانوذرات نیز آلودگی به محیط زیست وارد نمی‌کند.»
کاهش پتانسیل لازم جهت واکنش متانول در سطح الکترود و نیز ایجاد جریان بیشتر به معنای کارایی بهتر پیل‌های سوختی است که از نقطه نظر اقتصادی حائز اهمیت فراوانی است. کاتالیست ساخته شده در این طرح، اضافه ولتاژ لازم جهت اکسایش متانول را نسبت به الکترود پلاتین حدود ۵۰۰ میلی ولت کاهش داده و افزایش چشمگیری در جریان حاصل ایجاد کرده است. به عبارتی اکسایش متانول در حضور این کاتالیست به مراتب آسان‌تر شده است.
نتایج این کار در مجله‌ی ELECTROCHIMICA ACTA (جلد ۱۴۷، شماره ۱، سال ۲۰۱۴، صفحات ۵۷۲ تا ۵۸۱) چاپ شده و حاصل همکاری دکتر علیرضا نظامزاده اژیه- عضو هیأت علمی دانشگاه آزاد اسلامی واحد شهرضا- و محمد حسین شیخ محسنی- کارشناس ارشد شیمی کاربردی از این دانشگاه- است.
