محققان دانشگاه علم و صنعت ایران نانوکاتالیست‌هایی را سنتز کرده‌اند که می‌تواند هزینه ساخت پیل‌های سوختی را تا حد قابل قبولی کاهش دهد. در ساخت این نانوکاتالیست از پلاتین هیچ استفاده‌ای نشده، اما توانسته به فعالیت قابل قبولی نسبت به کاتالیست‌های پلاتینی رایج و مرسوم دست پیدا کند. طول عمر و پایداری بالاتر نسبت به کاتالیست‌های پلاتینی رایج از دیگر مزیت‌های آن است.
کاهش هزینه‌های ساخت پیل سوختی جهت تجاری شدن در صنعت
برای صنعتی شدن پیل‌های سوختی، به عنوان یک انرژی پایدار، مسئله‌ی اقتصادی در تولید این نوع سیستم‌ها باید بهینه‌سازی شود. عموماً در ساخت این پیل‌ها، از فلز گران‌قیمت و کمیاب پلاتین استفاده می‌شود که حدود سی درصد کل هزینه‌های پیل سوختی را به خود اختصاص می‌دهد.
به گفته‌ی حسنا قنبرلو-کارشناس ارشد مهندسی شیمی دانشگاه علم و صنعت ایران– این کار تحقیقاتی با هدف کاهش هزینه‌ها در پیل‌های سوختی دما پایین که در حوزه انرژی‌های تجدید پذیر شناخته شده هستند، صورت گرفته است.
وی پیشنهاد این طرح برای حل دستیابی به این هدف را چنین عنوان کرد: «راهکار کاربرد پیل‌های سوختی در صنعت، استفاده از کاتالیست‌های عاری از پلاتین است. البته این کاتالیست‌ها باید با داشتن فعالیتی برابر یا بیشتر از پلاتین و همچنین پایداری و طول عمر مناسب، بتوانند در رقابت با عملکرد پلاتین پیشی بگیرند.»
قنبرلو در ادامه توضیح داد: «از جمله مواد نانوساختاری که تاکنون توانسته‌اند چنین عملکردی داشته باشند، نانوساختارهای نیتروژن‌دهی شده مثل گرافن و نانولوله‌های کربنی هستند که در ترکیب با فلزات ارزان قیمت استفاده می‌شوند. به همین دلیل در پروژه‌ی حاضر کاتالیست پایه گرافنی نیتروژن دهی شده توسط یک روش سولووترمال سنتز شد و فلزات آهن و کبالت روی این پایه‌ی نانوساختار توسط روش پلی یول ته نشین سازی شدند. این روش ته نشین سازی، موجب پخش بهینه‌ی نانوذرات روی پایه‌ی کربنی نسبت به روش‌های مرسوم شده که خود نقش زیادی در افزایش فعالیت کاتالیست سنتز شده دارد.»
وی با اشاره به این که دلیل استفاده از پلاتین واکنش کند احیای اکسیژن در الکترود کاتد پیل‌های سوختی پلیمری است، عنوان کرد: «خوشبختانه ما در این طرح به کمک نانوکاتالیست سنتز شده توانستیم با وجود حذف فلز پلاتین، به یک فعالیت قابل قبول برای انجام واکنش احیای اکسیژن در الکترود کاتد پیل سوختی برسیم. هم چنین به دلیل اینکه هم در بخش سنتز پایه گرافنی نیتروژن دهی شده و هم ته نشین سازی فلزات از روش‌های ساده و کم هزینه استفاده شده، هزینه‌های تولید نانوکاتالیست نیز تا حد زیادی کاهش یافته است. علاوه بر آن، نانوکاتالیست سنتز شده دارای پایداری خیلی بیشتری نسبت به کاتالیست‌های پلاتینی رایج است که سریعاً در الکترولیت حل می‌شوند. از طرفی این نانوکاتالیست در برابر عبور سوخت انعطاف بالایی از خود نشان می‌دهد و مشکل مسمومیت با منوکسید کربن و اختلال در اثر عبور سوخت و متانول را ندارد.»
به گفته‌ی این محقق پیل‌های سوختی دما پایین (مثل پیل سوختی غشای تبادل پروتون) در صنعت حمل و نقل و صنعت خودرو کاربرد خواهند داشت. این منابع انرژی که از سوخت هیدروژن استفاده می‌کنند، پایدار هستند و تا زمانی که تأمین سوخت برای این سیستم‌ها انجام شود، می‌توانند انرژی الکتریکی مورد نیاز خودرو و سایر وسایل الکترونیکی قابل حمل و نقل را تأمین کنند. لازم به ذکر است که فناوری انرژی پیل سوختی جزو انرژی‌های پاک و تجدید پذیر به شمار می‌رود و در صورت استفاده از آن در صنعت خودرو، آلاینده‌های زیست محیطی به شدت کاهش خواهند یافت.
در این طرح آزمون‌های تعیین مشخصات الکتروشیمیایی در سیستم سه الکترودی، شامل آزمون‌های ولتامتری چرخه‌ای، ولتامتری خطی روبشی و آزمایش‌های کرونوآمپرومتری و امپدانس الکتروشیمیایی استفاده شده است.
حسنا قنبرلو- دانشجوی دکترای مهندسی شیمی دانشگاه امیرکبیر- دکتر سوسن روشن ضمیر- عضو هیأت علمی دانشگاه علم و صنعت و ایران– و همکارانشان در انجام این طرح فعالیت داشته‌اند. نتایج این کار در مجله‌یJournal of Power Sources با ضریب تأثیر ۶/۱ (جلد ۲۷۳، سال ۲۰۱۵، صفحات ۹۸۱ تا ۹۸۹ ) به چاپ رسیده است.
به گفته‌ی حسنا قنبرلو-کارشناس ارشد مهندسی شیمی دانشگاه علم و صنعت ایران– این کار تحقیقاتی با هدف کاهش هزینه‌ها در پیل‌های سوختی دما پایین که در حوزه انرژی‌های تجدید پذیر شناخته شده هستند، صورت گرفته است.
وی پیشنهاد این طرح برای حل دستیابی به این هدف را چنین عنوان کرد: «راهکار کاربرد پیل‌های سوختی در صنعت، استفاده از کاتالیست‌های عاری از پلاتین است. البته این کاتالیست‌ها باید با داشتن فعالیتی برابر یا بیشتر از پلاتین و همچنین پایداری و طول عمر مناسب، بتوانند در رقابت با عملکرد پلاتین پیشی بگیرند.»
قنبرلو در ادامه توضیح داد: «از جمله مواد نانوساختاری که تاکنون توانسته‌اند چنین عملکردی داشته باشند، نانوساختارهای نیتروژن‌دهی شده مثل گرافن و نانولوله‌های کربنی هستند که در ترکیب با فلزات ارزان قیمت استفاده می‌شوند. به همین دلیل در پروژه‌ی حاضر کاتالیست پایه گرافنی نیتروژن دهی شده توسط یک روش سولووترمال سنتز شد و فلزات آهن و کبالت روی این پایه‌ی نانوساختار توسط روش پلی یول ته نشین سازی شدند. این روش ته نشین سازی، موجب پخش بهینه‌ی نانوذرات روی پایه‌ی کربنی نسبت به روش‌های مرسوم شده که خود نقش زیادی در افزایش فعالیت کاتالیست سنتز شده دارد.»
وی با اشاره به این که دلیل استفاده از پلاتین واکنش کند احیای اکسیژن در الکترود کاتد پیل‌های سوختی پلیمری است، عنوان کرد: «خوشبختانه ما در این طرح به کمک نانوکاتالیست سنتز شده توانستیم با وجود حذف فلز پلاتین، به یک فعالیت قابل قبول برای انجام واکنش احیای اکسیژن در الکترود کاتد پیل سوختی برسیم. هم چنین به دلیل اینکه هم در بخش سنتز پایه گرافنی نیتروژن دهی شده و هم ته نشین سازی فلزات از روش‌های ساده و کم هزینه استفاده شده، هزینه‌های تولید نانوکاتالیست نیز تا حد زیادی کاهش یافته است. علاوه بر آن، نانوکاتالیست سنتز شده دارای پایداری خیلی بیشتری نسبت به کاتالیست‌های پلاتینی رایج است که سریعاً در الکترولیت حل می‌شوند. از طرفی این نانوکاتالیست در برابر عبور سوخت انعطاف بالایی از خود نشان می‌دهد و مشکل مسمومیت با منوکسید کربن و اختلال در اثر عبور سوخت و متانول را ندارد.»
به گفته‌ی این محقق پیل‌های سوختی دما پایین (مثل پیل سوختی غشای تبادل پروتون) در صنعت حمل و نقل و صنعت خودرو کاربرد خواهند داشت. این منابع انرژی که از سوخت هیدروژن استفاده می‌کنند، پایدار هستند و تا زمانی که تأمین سوخت برای این سیستم‌ها انجام شود، می‌توانند انرژی الکتریکی مورد نیاز خودرو و سایر وسایل الکترونیکی قابل حمل و نقل را تأمین کنند. لازم به ذکر است که فناوری انرژی پیل سوختی جزو انرژی‌های پاک و تجدید پذیر به شمار می‌رود و در صورت استفاده از آن در صنعت خودرو، آلاینده‌های زیست محیطی به شدت کاهش خواهند یافت.
در این طرح آزمون‌های تعیین مشخصات الکتروشیمیایی در سیستم سه الکترودی، شامل آزمون‌های ولتامتری چرخه‌ای، ولتامتری خطی روبشی و آزمایش‌های کرونوآمپرومتری و امپدانس الکتروشیمیایی استفاده شده است.
حسنا قنبرلو- دانشجوی دکترای مهندسی شیمی دانشگاه امیرکبیر- دکتر سوسن روشن ضمیر- عضو هیأت علمی دانشگاه علم و صنعت و ایران– و همکارانشان در انجام این طرح فعالیت داشته‌اند. نتایج این کار در مجله‌یJournal of Power Sources با ضریب تأثیر ۶/۱ (جلد ۲۷۳، سال ۲۰۱۵، صفحات ۹۸۱ تا ۹۸۹ ) به چاپ رسیده است.
