پژوهشگران دانشگاه سیستان و بلوچستان در تحقیقات آزمایشگاهی خود موفق شده‌اند نانوکاتالیستی فوق سبک طراحی کنند که فعالیت بسیار بالایی دارد. این نانوکاتالیست از جنس پالادیوم بوده و ساختاری مشابه گرافن سه بعدی دارد. استفاده در پیل‌های سوختی اتانولی، مهمترین کاربرد نانوکاتالیست‌های پالادیوم طراحی شده است.
نانوکاتالیست‌هایی با فعالیت بالا برای استفاده در پیل‌های سوختی اتانولی
غیر سمی بودن اتانول و تهیه آسان آن به روش تخمیر، باعث شده تا اتانول گزینه‌ای مناسب برای سوخت در پیل‌های سوختی باشد. همچنین پیل‌های سوختی اتانولی به دلیل تولید دانسیته جریان بالا، مورد توجه بسیاری قرار گرفته است. با این حال توسعه‌ی کاتالیست‌های جدید با فعالیت الکتروکاتالیزوری بالا، یکی از مهم ترین مسائلی است که باید قبل از تجاری شدن پیل‌های سوخت اتانولی در نظر گرفته شود.
طراحی کاتالیزورهایی با سطوح گسترده، مانند نانوسیم‌ها، نانولوله‌ها و نانوساختارهای متخلخل، موقعیت‌های بسیاری را برای بهبود عملکرد و دوام کاتالیزورها فراهم کرده است. از طرفی کاتالیزورهای نانوساختار متخلخل علاوه بر سطح بالا و تخلخل‌های زیاد، از مزایایی همچون مقاومت به خوردگی و استحکام بالا نیز برخوردارند.
مهدی زارعی یزدان آباد- فارغ التحصیل دکترای شیمی کاربردی- تهیه نانوساختارهای سه بعدی از نانو ورقه‌های پالادیوم، مشابه گرافن سه بعدی، به عنوان یک کاتالیست در فرایند اکسیداسیون اتانول و فرمیک اسید را مهمترین هدف دنبال شده در این کار دانست.
وی در ادامه عنوان کرد: «تبدیل ساختار دو بعدی نانو ورقه‌های پالادیوم به ساختار سه بعدی آئروژل پالادیوم نتیجه مهم این تحقیق بوده‌است. نتایج الکتروشیمیایی نشان دادند که این نسل از کاتالیست پالادیوم، فعالیت بالایی را در فرایند اکسیداسیون اتانول از خود نشان می‌دهد. طبق این نتایج، فعالیت این کاتالیست در فرایند اکسیداسیون اتانول در مقایسه با کاتالیست تجاری Pd/C، حدود ۷ برابر است.»
طراحی کاتالیزورهایی با سطوح گسترده، مانند نانوسیم‌ها، نانولوله‌ها و نانوساختارهای متخلخل، موقعیت‌های بسیاری را برای بهبود عملکرد و دوام کاتالیزورها فراهم کرده است. از طرفی کاتالیزورهای نانوساختار متخلخل علاوه بر سطح بالا و تخلخل‌های زیاد، از مزایایی همچون مقاومت به خوردگی و استحکام بالا نیز برخوردارند.
مهدی زارعی یزدان آباد- فارغ التحصیل دکترای شیمی کاربردی- تهیه نانوساختارهای سه بعدی از نانو ورقه‌های پالادیوم، مشابه گرافن سه بعدی، به عنوان یک کاتالیست در فرایند اکسیداسیون اتانول و فرمیک اسید را مهمترین هدف دنبال شده در این کار دانست.
وی در ادامه عنوان کرد: «تبدیل ساختار دو بعدی نانو ورقه‌های پالادیوم به ساختار سه بعدی آئروژل پالادیوم نتیجه مهم این تحقیق بوده‌است. نتایج الکتروشیمیایی نشان دادند که این نسل از کاتالیست پالادیوم، فعالیت بالایی را در فرایند اکسیداسیون اتانول از خود نشان می‌دهد. طبق این نتایج، فعالیت این کاتالیست در فرایند اکسیداسیون اتانول در مقایسه با کاتالیست تجاری Pd/C، حدود ۷ برابر است.»
آئروژل پالادیوم فوق سبک قرار داده شده روی قاصدک
زارعی در خصوص نحوه‌ی تبدیل نانوورقه‌ها به نانوساختار سه بعدی پالادیوم گفت:«این کار در حلال استیک اسید و در حضور یک سورفاکتانت انجام شد. سهولت انجام از مهمترین مزایای روش استفاده شده محسوب می‌شود.»
به گفته‌ی این محقق، با توجه به این که این نانوکاتالیست ساختاری سه‌بعدی دارد، در صنایعی که به طور مستقیم از کاتالیست‌های پالادیم استفاده می‌کنند، برای مثال در صنایع پتروشیمی و داروسازی، کاربرد خواهد داشت.
زارعی یزدان آباد در خصوص لزوم تبدیل نانوورقه‌ها به نانوساختارهای سه بعدی عنوان کرد: «همانطور که می‌دانیم نانو ورقه‌ها به عنوان یک ساختار دو بعدی دارای ضخامت نانومتری هستند که مساحت سطحی بالایی را به ازای واحد وزنی ایجاد می‌کنند (گرافن یک مثال بارز از نانو ورقه‌هاست). نانوورقه‌ها انرژی سطحی بالایی دارند و تمایل زیادی برای استک شدن و تجمع دارند که این امر باعث کاهش مساحت سطحی کاتالیست نانو ورقه‌ای می‌شود. تبدیل ساختار دو بعدی نانو ورقه‌ها به ساختار سه بعدی مانع از ایجاد این مشکل می‌شود. همچنین به دلیل خلل و فرج‌هایی که در ساختار سه بعدی ایجاد می‌شود، فرایند انتقال جرم راحت‌تر صورت می‌گیرد (یک مثال بارز از این ساختارها، گرافن سه بعدی است که اخیرا کاربردهای فراوانی پیدا کرده است). لذا ایجاد چنین ساختارهای باعث افزایش فعالیت کاتالیستی می‌شود.
در این طرح برای بررسی ساختاری کاتالیست سنتز شده از روش‌هایی نظیر SEM، TEM، AFM و XRD استفاده شده است. همچنین برای بررسی فعالیت کاتالیستی، الکترواکسیداسیون اتانول در یک سل سه الکترودی صورت گرفته است.
این تحقیقات از همکاری مهدی زارعی یزدان آباد- فارغ التحصیل دکتری شیمی کاربردی از دانشگاه سیستان و بلوچستان- دکتر میثم نوروزی‌فر، دکتر علی‌رضا مدرسی عالم و دکتر حمیده سراوانی- اعضای هیأت علمی دانشگاه سیستان و بلوچستان- حاصل شده‌است. نتایج این کار در مجله‌ی Journal of Materials Chemistry A با ضریب تأثیر ۸/۸۶ (جلد ۵، سال ۲۰۱۷، صفحات۱۰۲۴۴ تا ۱۰۲۴۹) به چاپ رسیده است.
به گفته‌ی این محقق، با توجه به این که این نانوکاتالیست ساختاری سه‌بعدی دارد، در صنایعی که به طور مستقیم از کاتالیست‌های پالادیم استفاده می‌کنند، برای مثال در صنایع پتروشیمی و داروسازی، کاربرد خواهد داشت.
زارعی یزدان آباد در خصوص لزوم تبدیل نانوورقه‌ها به نانوساختارهای سه بعدی عنوان کرد: «همانطور که می‌دانیم نانو ورقه‌ها به عنوان یک ساختار دو بعدی دارای ضخامت نانومتری هستند که مساحت سطحی بالایی را به ازای واحد وزنی ایجاد می‌کنند (گرافن یک مثال بارز از نانو ورقه‌هاست). نانوورقه‌ها انرژی سطحی بالایی دارند و تمایل زیادی برای استک شدن و تجمع دارند که این امر باعث کاهش مساحت سطحی کاتالیست نانو ورقه‌ای می‌شود. تبدیل ساختار دو بعدی نانو ورقه‌ها به ساختار سه بعدی مانع از ایجاد این مشکل می‌شود. همچنین به دلیل خلل و فرج‌هایی که در ساختار سه بعدی ایجاد می‌شود، فرایند انتقال جرم راحت‌تر صورت می‌گیرد (یک مثال بارز از این ساختارها، گرافن سه بعدی است که اخیرا کاربردهای فراوانی پیدا کرده است). لذا ایجاد چنین ساختارهای باعث افزایش فعالیت کاتالیستی می‌شود.
در این طرح برای بررسی ساختاری کاتالیست سنتز شده از روش‌هایی نظیر SEM، TEM، AFM و XRD استفاده شده است. همچنین برای بررسی فعالیت کاتالیستی، الکترواکسیداسیون اتانول در یک سل سه الکترودی صورت گرفته است.
این تحقیقات از همکاری مهدی زارعی یزدان آباد- فارغ التحصیل دکتری شیمی کاربردی از دانشگاه سیستان و بلوچستان- دکتر میثم نوروزی‌فر، دکتر علی‌رضا مدرسی عالم و دکتر حمیده سراوانی- اعضای هیأت علمی دانشگاه سیستان و بلوچستان- حاصل شده‌است. نتایج این کار در مجله‌ی Journal of Materials Chemistry A با ضریب تأثیر ۸/۸۶ (جلد ۵، سال ۲۰۱۷، صفحات۱۰۲۴۴ تا ۱۰۲۴۹) به چاپ رسیده است.
