یک تیم تحقیقاتی بین‌المللی موفق به ایجاد یک الکتروکاتالیست برای پیل‌های سوختی هیدروژنی شده است که برخلاف کاتالیزورهایی که امروزه استفاده می‌شود، نیازی به حامل کربن ندارد و بنابراین بسیار پایدارتر است. این فرآیند جدید به صورت صنعتی قابل اجرا است و می‌تواند برای بهینه‌سازی بیشتر وسایل نقلیه با پیل سوختی بدون انتشار CO2 استفاده شود.
توسعه نانوالکتروکاتالیست برای کمک به گسترش پیل‌های سوختی
پیل‌های سوختی به‌عنوان جایگزینی برای خودروهای الکتریکی در ترافیک سنگین اهمیت پیدا می‌کنند، به خصوص اگر هیدروژن از منابع تجدیدپذیر به دست آید، یک حامل انرژی خنثی از CO2 است. برای عملکرد کارآمد، پیل‌های سوختی به یک الکتروکاتالیست نیاز دارند که واکنش الکتروشیمیایی را که در آن الکتریسیته تولید می‌شود، بهبود بخشد. کاتالیزورهای نانوذرات پلاتین- کبالت که امروزه به‌عنوان کاتالیزورهای استاندارد استفاده می‌شوند، خواص کاتالیزوری خوبی دارند و تنها به پلاتین کمیاب و گران قیمت نیاز دارند. برای اینکه کاتالیزور در پیل سوختی استفاده شود، باید دارای سطحی با ذرات پلاتین-کبالت بسیار کوچک در محدوده نانومتری باشد که روی یک ماده حامل کربن رسانا اعمال شود. از آنجایی که ذرات ریز و همچنین کربن موجود در پیل سوختی در معرض خوردگی قرار می‌گیرند، پیل با گذشت زمان کارایی و پایداری خود را از دست می‌دهد.
یک تیم بین‌المللی به سرپرستی پروفسور ماتیاس آرنز از دپارتمان شیمی و بیوشیمی در دانشگاه برن اکنون موفق به استفاده از یک فرآیند ویژه برای تولید الکتروکاتالیست بدون حامل کربن شده است که بر خلاف کاتالیزورهای موجود از یک لایه نازک تشکیل شده است که شبکه فلزی و در نتیجه دوام بیشتری دارد. آرنز می‌گوید: «کاتالیستی که توسعه داده‌ایم عملکرد بالایی دارد و نوید عملکرد پایدار پیل سوختی را حتی در دماهای بالاتر و چگالی جریان بالا می‌دهد».
پیل سوختی – تولید برق مستقیم بدون احتراق
در یک پیل سوختی هیدروژن، اتم‌های هیدروژن مستقیما برای تولید الکتریسیته تقسیم می‌شوند. برای این منظور، هیدروژن به یک الکترود وارد می‌شود و در آنجا به پروتون‌های با بار مثبت و الکترون‌هایی با بار منفی تقسیم می‌شود. الکترون‌ها از طریق الکترود جریان می‌یابند و جریان الکتریکی را در خارج از سلول تولید می‌کنند که برای مثال موتور خودرو را به حرکت در می‌آورد. پروتون‌ها از غشایی عبور می‌کنند که فقط برای پروتون‌ها نفوذپذیر است و از طرف دیگر روی الکترود دوم پوشیده شده با کاتالیزور (در اینجا از شبکه آلیاژ پلاتین-کبالت) با اکسیژن هوا واکنش نشان می‌دهند و در نتیجه بخار آب تولید می‌کنند. این بخار از طریق “اگزوز” تخلیه می‌شود.
نقش مهم الکتروکاتالیست
برای اینکه پیل سوختی الکتریسیته تولید کند، هر دو الکترود باید با یک کاتالیزور پوشش داده شوند. بدون کاتالیزور، واکنش‌های شیمیایی بسیار کند پیش می‌رود. این امر به‌ویژه در مورد الکترود دوم، الکترود اکسیژن صدق می‌کند. با این حال، نانوذرات پلاتین-کبالت کاتالیزور می‌توانند در حین کار در خودرو ذوب شوند. این باعث کاهش سطح کاتالیزور و در نتیجه کاهش کارایی سلول می‌شود. علاوه بر این، کربنی که معمولاً برای تثبیت کاتالیزور استفاده می‌شود، هنگام کار در ترافیک جاده‌ای می‌تواند دچار خوردگی شود. این بر عمر پیل سوختی و در نتیجه عمر خودرو تأثیر می گذارد. ماتیاس آرنز توضیح می دهد: بنابراین انگیزه ما تولید یک الکتروکاتالیست بدون حامل کربن و در عین حال قدرتمند بود.
محققان توانستند این ایده را به لطف فرآیند خاصی به نام کندوپاش کاتد به واقعیت تبدیل کنند. با این روش، تکه های یک ماده (در اینجا پلاتین یا کبالت) با بمباران با یون ها حل می شوند (اتمیزه می شوند). سپس اتم‌های گاز آزاد شده به عنوان یک لایه چسب متراکم می شوند. با فرآیند کندوپاش ویژه و مراحل بعدی، می توان به ساختار بسیار متخلخلی دست یافت که سطح بالایی را برای کاتالیزور ایجاد می کند و در عین حال خود نیز پایدار است. این فناوری از نظر صنعتی مقیاس‌پذیر است و بنابراین می‌تواند برای حجم‌های تولید بزرگ‌تر به عنوان مثال در صنعت خودروسازی نیز استفاده شود. این فرآیند به سلول سوختی هیدروژنی اجازه می دهد تا برای استفاده در ترافیک جاده ای بیشتر بهینه شود.
نتایج این پژوهش در نشریه Nature Materials منتشر شده است.
