پژوهشگران دانشگاه مازندران در تحقیقات خود به بررسی آزمایشگاهی استفاده از نانومواد جهت بهبود و تسریع فرایند تولید گاز هیدروژن به عنوان سوخت مورد نیاز پیل‌های سوختی پرداختند. این مطالعات حاکی از اثر مثبت نانومواد بکار گرفته شده است. با این نتایج می‌توان گام
بابلسر: استفاده از نانومواد جهت بهبود فرایند تولید هیدروژن به عنوان سوخت پیل‌های سوختی
با توجه به نیاز روزافزون بشر به استفاده از یک منبع انرژی جایگزین سوخت‌های فسیلی، پیل‌های سوختی گزینه‌ی بسیار مناسبی هستند. در یک پیل سوختی، انرژی شیمیایی موجود در سوخت به انرژی الکتریکی تبدیل می‌شود. مولکول هیدروژن به علت داشتن دانسیته‌ی انرژی زیاد و همچنین به عنوان یک سوخت پاک، یکی از سوخت‌های مناسب برای پیل‌های سوختی هیدروژن- اکسیژن به شمار می‌رود.
به گفته‌ی پرفسور جهانبخش رئوف، مشکل استفاده از گاز هیدروژن در این زمینه، بحث ذخیره سازی این گاز در کپسول‌های تحت فشار است. یک راه حل پیشنهادی برای این معضل، تولید الکتروشیمیایی هیدروژن در محل ورودی سوخت در یک پیل سوختی است. اما این فرایند از سینتیک انتقال الکترون کندی در سطح الکترودهای متداول برهنه برخوردار است. هدف این کار تحقیقاتی، اصلاح سطح الکترود با استفاده از نانومواد، به منظور افزایش سینتیک واکنش رهاسازی هیدروژن(HER) بوده است.
وی در ادامه افزود: «در واقع با اصلاح مناسب سطح الکترود، می‌توان سرعت انتقال الکترون را در سطح آن تسریع کرد. در این طرح، با استفاده از نانو چندسازه‌ی مس/نانو متخلخل کربنی مشتق شده از شبکه آلی فلزی MOF-199، این هدف محقق شده است.»
طبق نتایج بدست آمده، حضور این نانو چندسازه در سطح الکترود اصلاح شده موجب بهبود فرایند انتقال الکترون برای واکنش HER می‌گردد. به عبارتی، این الکترود اصلاح شده امکان تهیه‌ی الکتروشیمیایی سریعتر و راحت‌تر گاز هیدروژن به عنوان سوخت پاک برای پیل‌های سوختی هیدروژن- اکسیژن را فراهم می‌کند. همچنین، به دلیل عدم به کارگیری فلز گران قیمت پلاتین در ساختار الکترود، موجب کاهش قیمت و صرفه‌ی اقتصادی برای تولید گاز هیدروژن خواهد شد.
لازم به ذکر است که تولید انرژی الکتریکی از پیل‌های سوختی، نظیر پیل سوختی هیدروژن- اکسیژن که منجر به تولید آب به عنوان محصول نهایی این فرآیند می‌گردد، به عنوان انرژی پاک، هیچ گونه آلودگی زیست محیطی ندارد.
رئوف روند انجام مطالعات صورت گرفته را بدین شرح بیان کرد: «برای این منظور، از چندسازه‌ی مس/ نانو متخلخل کربنی مشتق شده از شبکه آلی فلزی مس- بنزن تری کربوکسیلیک اسید Cu3(BTC)2، با نام دیگر MOF-199 به عنوان کاتالیزور غیر پلاتینی استفاده شد. در این راستا، روش کربونیزاسیون مستقیم شبکه آلی فلزی، بدون اضافه کردن منبع کربنی خارجی برای تهیه‌ی این نانو چندسازه به کار رفته است. پس از مشخصه‌یابی نانو چندسازه مس/نانو متخلخل کربنی تهیه شده، آن را به روش فراصوت در حلال اتانول پخش کرده و سوسپانسیون یکنواختی تهیه گردید و بر روی سطح الکترود کربن شیشه‌ای بدون هیچ عامل اتصال دهنده‌ای، قطره گذاری شد. در ادامه، عملکرد الکتروکاتالیزوری نانو چندسازه‌ی موجود بر سطح الکترود کربن شیشه‌ای برای فرایند HER در محلول سولفوریک اسید به روش ولتامتری روبش خطی (LSV) بررسی شد.»
نتایج الکتروشیمیایی، تسهیل انتقال الکترون در فرایند کاهش یون هیدروژن در محیط اسید سولفوریک را در گستره‌ی پتانسیل‌های مثبت‌تر با دانسیته‌ی جریان بیشتر نسبت به الکترودهای اصلاح نشده، نشان داده است.
این تحقیقات از همکاری پروفسور جهانبخش رئوف، دکتر سید رضا حسینی زوارمحله، پروفسور رضا اوجانی- اعضای هیأت علمی دانشگاه مازندران و سکینه ماندگار زاد- دانشجوی دکترای شیمی تجزیه این دانشگاه حاصل شده است. نتایج این کار در مجله‌ی Energy (جلد ۹۰، بخش ۱، سال ۲۰۱۵، صفحات ۱۰۷۵ تا ۱۰۸۱) چاپ شده است.
به گفته‌ی پرفسور جهانبخش رئوف، مشکل استفاده از گاز هیدروژن در این زمینه، بحث ذخیره سازی این گاز در کپسول‌های تحت فشار است. یک راه حل پیشنهادی برای این معضل، تولید الکتروشیمیایی هیدروژن در محل ورودی سوخت در یک پیل سوختی است. اما این فرایند از سینتیک انتقال الکترون کندی در سطح الکترودهای متداول برهنه برخوردار است. هدف این کار تحقیقاتی، اصلاح سطح الکترود با استفاده از نانومواد، به منظور افزایش سینتیک واکنش رهاسازی هیدروژن(HER) بوده است.
وی در ادامه افزود: «در واقع با اصلاح مناسب سطح الکترود، می‌توان سرعت انتقال الکترون را در سطح آن تسریع کرد. در این طرح، با استفاده از نانو چندسازه‌ی مس/نانو متخلخل کربنی مشتق شده از شبکه آلی فلزی MOF-199، این هدف محقق شده است.»
طبق نتایج بدست آمده، حضور این نانو چندسازه در سطح الکترود اصلاح شده موجب بهبود فرایند انتقال الکترون برای واکنش HER می‌گردد. به عبارتی، این الکترود اصلاح شده امکان تهیه‌ی الکتروشیمیایی سریعتر و راحت‌تر گاز هیدروژن به عنوان سوخت پاک برای پیل‌های سوختی هیدروژن- اکسیژن را فراهم می‌کند. همچنین، به دلیل عدم به کارگیری فلز گران قیمت پلاتین در ساختار الکترود، موجب کاهش قیمت و صرفه‌ی اقتصادی برای تولید گاز هیدروژن خواهد شد.
لازم به ذکر است که تولید انرژی الکتریکی از پیل‌های سوختی، نظیر پیل سوختی هیدروژن- اکسیژن که منجر به تولید آب به عنوان محصول نهایی این فرآیند می‌گردد، به عنوان انرژی پاک، هیچ گونه آلودگی زیست محیطی ندارد.
رئوف روند انجام مطالعات صورت گرفته را بدین شرح بیان کرد: «برای این منظور، از چندسازه‌ی مس/ نانو متخلخل کربنی مشتق شده از شبکه آلی فلزی مس- بنزن تری کربوکسیلیک اسید Cu3(BTC)2، با نام دیگر MOF-199 به عنوان کاتالیزور غیر پلاتینی استفاده شد. در این راستا، روش کربونیزاسیون مستقیم شبکه آلی فلزی، بدون اضافه کردن منبع کربنی خارجی برای تهیه‌ی این نانو چندسازه به کار رفته است. پس از مشخصه‌یابی نانو چندسازه مس/نانو متخلخل کربنی تهیه شده، آن را به روش فراصوت در حلال اتانول پخش کرده و سوسپانسیون یکنواختی تهیه گردید و بر روی سطح الکترود کربن شیشه‌ای بدون هیچ عامل اتصال دهنده‌ای، قطره گذاری شد. در ادامه، عملکرد الکتروکاتالیزوری نانو چندسازه‌ی موجود بر سطح الکترود کربن شیشه‌ای برای فرایند HER در محلول سولفوریک اسید به روش ولتامتری روبش خطی (LSV) بررسی شد.»
نتایج الکتروشیمیایی، تسهیل انتقال الکترون در فرایند کاهش یون هیدروژن در محیط اسید سولفوریک را در گستره‌ی پتانسیل‌های مثبت‌تر با دانسیته‌ی جریان بیشتر نسبت به الکترودهای اصلاح نشده، نشان داده است.
این تحقیقات از همکاری پروفسور جهانبخش رئوف، دکتر سید رضا حسینی زوارمحله، پروفسور رضا اوجانی- اعضای هیأت علمی دانشگاه مازندران و سکینه ماندگار زاد- دانشجوی دکترای شیمی تجزیه این دانشگاه حاصل شده است. نتایج این کار در مجله‌ی Energy (جلد ۹۰، بخش ۱، سال ۲۰۱۵، صفحات ۱۰۷۵ تا ۱۰۸۱) چاپ شده است.
