پژوهشگران دانشگاه تربیت مدرس با همکاری همکاران بینالمللی خود، مقالهای علمی با تمرکز بر توسعه زیرنانوخوشههای فلزی برای ذخیرهسازی و تبدیل انرژی منتشر کردند که در مجله معتبر Small به چاپ رسیده است و طرح این مقاله بر روی جلد آن مجله درج شده است. این پژوهش با ارائه یک راهبرد سبز و الهامگرفته از فرایندهای زیستی، نشان میدهد چگونه زیرنانوخوشههای آهن و نیکل میتوانند عملکرد ابرخازنها، باتریها و الکتروکاتالیزورها را به سطحی بالاتر ارتقا دهند؛ دستاوردی که توجه جامعه علمی حوزه مواد پیشرفته و انرژی را به خود جلب کرده است.
مقالهی ایرانی درباره نانوخوشههای فلزی روی جلد مجله Small قرار گرفت
کوچکسازی نانوذرات فلزی تا مقیاس نانوخوشهها، زیرنانوخوشهها، و حتی اتمهای منفرد، یکی از جذابترین مسیرهای پژوهشی برای افزایش بهرهوری اتمی در سامانههای ذخیرهسازی و تبدیل انرژی بهشمار میرود. مقالهای با عنوان Protein-Templated Fe and Ni Subnanoclusters for Advanced Energy Storage and Electrocatalysis که بهتازگی در مجله Small منتشر شده، نمونهای شاخص از این رویکرد نوآورانه است.
در این پژوهش، دکتر میرفضل الله موسوی و همکارانشان با الهام از فرایندهای کانی سازی زیستی، از آلبومین سرم گاوی (BSA) بهعنوان قالب زیستی برای سنتز نانوخوشههای آهن و نیکل استفاده کردهاند. این نانوخوشهها سپس بهصورت گرمآبی با اکسید گرافن ترکیب شده و در ادامه، طی فرایند پیرولیز کاتالیزشده با KOH، به ساختاری کربنی، متخلخل و رسانا تبدیل شدهاند. نتیجه این فرایند سنتزی، جاسازی زیرنانوخوشههای فلزی و حتی اتمهای منفرد در چارچوبی آئروژلی از کربن مشتقشده از پروتئین و گرافن است.
این معماری سلسلهمراتبی و متخلخل، چند مزیت کلیدی را بهطور همزمان فراهم میکند؛ از یکسو دسترسی آسان الکترولیت به سایتهای فعال فلزی را ممکن میسازد و از سوی دیگر، رسانایی الکتریکی بالا و مسیرهای تسهیلشده انتقال جرم را در اختیار سامانه قرار میدهد. همین ترکیب هوشمندانه باعث شده است الکترود منفی مبتنی بر زیرنانوخوشههای آهن و الکترود مثبت مبتنی بر زیرنانوخوشههای نیکل، عملکردی فراتر از بسیاری از مواد همرده خود در ذخیره سازی انرژی در سیستم هیبریدی ابرخازن-باتری (ابرباتری) نشان دهند.
بر اساس نتایج گزارششده، زیرنانوخوشههای آهن به ظرفیت ویژه ۳۷۳ فاراد بر گرم (معادل ۹۳ میلیآمپرساعت بر گرم) و زیرنانوخوشههای نیکل به ظرفیت قابلتوجه ۱۱۲۵ فاراد بر گرم (۱۰۱ میلیآمپرساعت بر گرم) در جریان ویژه ۱ آمپر بر گرم دست یافتهاند. این مقادیر، جایگاه این مواد را در میان گزینههای پیشرفته برای ذخیرهسازی انرژی تثبیت میکند.
گام مهم بعدی، مونتاژ این دو الکترود در قالب یک سامانه هیبریدی ذخیره انرژی بوده است. دستگاه ساختهشده توانسته است به انرژی ویژه ۴۷ واتساعت بر کیلوگرم و توان ویژه ۱۸ کیلووات بر کیلوگرم دست یابد؛ اعدادی که برای یک سامانه مبتنی بر مواد کربنی و فلزات ارزان قیمت عناصر واسطه، چشمگیر تلقی میشوند. افزون بر این، پایداری چرخهای بیش از ۱۲ هزار چرخه، نشاندهنده دوام بالای این ساختار در کاربردهای عملی است.
کاربرد این زیرنانوخوشهها تنها به ذخیرهسازی انرژی محدود نمانده است. نتایج نشان میدهد زیرنانوخوشههای آهن عملکرد قابلتوجهی در واکنش آزاد سازی اکسیژن (OER) از خود نشان دادهاند. اضافهپتانسیل ۲۷۰ میلیولت در چگالی جریان ۱۰ میلیآمپر بر سانتیمتر مربع، این ماده را حتی فراتر از کاتالیزور مرجع RuO2 با اضافهپتانسیل ۳۲۸ میلیولت قرار میدهد؛ دستاوردی که میتواند برای سامانههای الکترولیز آب و تبدیل انرژی اهمیت بالایی داشته باشد.
برای درک عمیقتر رفتار این مواد در مقیاس اتمی، پژوهشگران از شبیهسازیهای دینامیک مولکولی و محاسبات نظریه تابعی چگالی (DFT) استفاده کردهاند. این تحلیلها، بینشهای عمیقتری درباره توزیع بار الکترونی، پایداری خوشهها و برهمکنش آنها با چارچوب کربنی فراهم کرده و نقش ساختار الکترونیکی در عملکرد الکتروشیمیایی را برجسته ساخته است.
با این حال، یکی از نکات قابلتوجه مقاله، نگاه انتقادی پژوهشگران به فرضیه اولیه خود است. برخلاف انتظار، کاهش اندازه ذرات تا مقیاس چند اتم یا اتم منفرد، بهتنهایی منجر به بهبود چشمگیر عملکرد ذخیرهسازی و تبدیل انرژی نشده است. این مشاهده نشان میدهد که عملکرد برتر این سامانهها بیش از آنکه صرفاً به کوچکسازی وابسته باشد، حاصل همافزایی پیچیدهای از عوامل گوناگون مانند تنوع و چگالی سایتهای فعال، برهمکنشهای چنداتمی، ساختار الکترونیکی بهینه، کاهش محدودیتهای انتقال جرم و تسهیل واکنشهای چندالکترونی است.
در مجموع، مقالهای که اکنون روی جلد Small قرار گرفته، نهتنها یک دستاورد فناورانه در حوزه مواد پیشرفته بهشمار میرود، بلکه با ارائه نگاهی واقعبینانه و تحلیلی به محدودیتها و پیچیدگیهای مقیاس زیرنانو، مسیر تحقیقات آینده در زمینه ذخیرهسازی و تبدیل انرژی را شفافتر میکند. این پژوهش نشان میدهد که آینده انرژی، نه در یک عامل ساده، بلکه در طراحی هوشمندانه سامانههایی نهفته است که زیستالهام، نانومهندسی و شیمی پیشرفته را بهطور همزمان در کنار هم قرار میدهند.
