تلاش برای ساخت نانومواد الکترودی مقرون‌به‌صرفه برای ابرخازن‌های الکتروشیمیایی

محققان دانشگاه تحصیلات تکمیلی علوم پایه زنجان در یک پژوهش آزمایشگاهی تلاش کردند به نانوموادی مقرون‌به‌صرفه برای استفاده در ابرخازن‌ها دست یابند. این طرح در صورت رسیدن به مقیاس صنعتی می‌تواند به رفع بخشی از معضلات حال حاضر سیستم های ذخیره‌سازی انرژی منجر شود.

کاهش منابع انرژی‌های تجدید ناپذیر فسیلی در کنار معضلات آلودگی هوا و محیط‌زیست، زمینه‌ساز نیاز به یافتن منابع انرژی تجدیدپذیر و همچنین سیستم‌های ذخیره انرژی با کارایی بالاتر نسبت به سیستم‌های قدیمی شده است. ابرخازن‌های الکتروشیمیایی از مهم‌ترین دسته‌ی این منابع هستند که به دلیل عدم محدودیت در تعداد دفعات شارژ و تخلیه، برخلاف باتری‌های متداول، کاربرد فراوانی یافته‌اند.
به گفته‌ی دکتر سید حبیب کاظمی این طرح در راستای به‌کارگیری مواد نانوساختار جهت بهبود عملکرد ابرخازن‌ها و همچنین کاهش قیمت تمام‌شده‌ی آن‌ها انجام شده است. در خلال طرح نانوساختارهای منگنز دی‌اکسید بر روی یک زیرلایه‌ی مس تثبیت شده است.
وی در ادامه به مقایسه‌ی مواد الکترودی تولید شده در این طرح و نمونه‌های قدیمی‌تر پرداخت و افزود: «در کارهای گذشته از مواد گران‌قیمت و آلاینده‌ی محیط‌زیست نظیر اکسیدهای روتنیم و ایریدیم استفاده می‌شده است. این در حالی است که در طرح حاضر با بهره‌گیری از فناوری نانو و همچنین مواد سازگار با محیط‌زیست، علاوه بر افزایش کارایی الکتروشیمیایی الکترودها، قیمت تمام‌شده‌ی آن‌ها نیز به نحو مطلوبی کاهش پیدا کرده است.»
کاظمی در رابطه با نقش فناوری نانو در ساخت این الکترود عنوان کرد: «در طرح حاضر نانوساختارهای دی‌اکسید منگنز بر روی یک لایه‌ی میکرومتری از مس که متشکل از اجتماعات نانومتری و نانو رشته‌های مسی با رسانایی بالاست، تثبیت شده‌اند که این موضوع موجب شده لایه‌ی دی‌اکسید منگنز به‌خوبی با زیرلایه‌ی مسی اتصال پیدا کند.»
در جریان این پژوهش آزمایشگاهی ابتدا زیر لایه مس میکرومتری بر روی بستر فوم نیکل تثبیت و پارامترهای مربوط به آن بهینه شده است. سپس در شرایط بهینه، نانوساختار دی‌اکسید منگنز بر روی زیرلایه‌ی مس تثبیت شده است. در ادامه با روش‌های میکروسکوپ الکترونی و آنالیز اشعه ایکس، لایه‌ی تثبیت شده مورد ارزیابی قرار گرفت و در نهایت الکترود تولید شده با روش‌های الکتروشیمیایی بررسی شد.
نتایج نشان داده‌اند که افزایش سطح به حجم مواد الکتروفعال در ساخت این الکترود باعث شده در کمترین میزان بارگذاری مواد روی الکترود، ظرفیت ذخیره‌ی بار و دانسیته ی انرژی به 687 فاراد بر گرم و 557 میلی فاراد بر سانتی‌متر مربع برسد.
گفتنی است از این طرح یک اختراع به شماره‌ی 83226 به ثبت رسیده که اخیراً در سازمان پژوهش‌های علمی و صنعتی ایران تأیید نهایی نیز شده است.
این تحقیقات حاصل تلاش‌های گروه تحقیقاتی دکتر سید حبیب کاظمی- عضو هیأت علمی دانشگاه تحصیلات تکمیلی علوم پایه زنجان- دکتر محمدعلی کیانی- عضو هیأت علمی پژوهشگاه شیمی و مهندسی شیمی ایران– مصطفی قائم‌مقامی- دانشجوی مقطع دکترای شیمی دانشگاه تربیت مدرس تهران- که در زمان انجام تحقیق دانشجوی کارشناسی ارشد شیمی دانشگاه تحصیلات تکمیلی علوم پایه زنجان بوده است و دکتر حجت کاظمی- عضو هیأت علمی پژوهشگاه صنعت نفت ایران– است. نتایج این کار در مجله‌ی Electrochimica Actaبا ضریب تأثیر 4/8 (جلد 197، سال 2016، صفحات 107 تا 116) منتشر شده است.