ساخت الکترودهای الیافی با نانولوله‌ها و نانوذرات در دانشگاه تبریز

پژوهشگران دانشگاه تبریز موفق به تهیه الکترود الیافی متشکل از پلی‌آنیلین، نانولوله کربنی چند دیواره و نانوذرات اکسید فلزی به روش ریسندگی تر شدند. از الیاف تولیدی می‌توان به‌عنوان الکترود در خازن‌های الکتروشیمیایی استفاده کرد. این خازن‌ها در بخش‌های مختلف صنایع که به سیستم‌های ذخیره انرژی الکتریکی نیاز دارند، قابل استفاده است.

تغییرات آب و هوایی و کاهش میزان سوخت‌های فسیلی، حرکت به سمت منابع انرژی تجدیدپذیر را برای جوامع بشری امری ضروری کرده است. در این راستا افزایش در تولید انرژی تجدیدپذیر از نور خورشد و باد و توسعه وسایل نقلیه الکتریکی یا وسایل نقلیه الکتریکی هیبریدی با انتشار دی‌‌اکسیدکربن پایین مشاهده می‌‌شود.

در طول شب امکان دسترسی به نور خورشید وجود ندارد و باد نیز در مواقع ضروری شروع به وزیدن نمی‌‌کند. از این‌‌رو سیستم‌‌های ذخیره انرژی شروع به نقش‌‌آفرینی در زندگی بشری می‌‌کنند. طلایه‌‌دار این سیستم‌‌ها، سیستم‌‌های ذخیره انرژی الکتریکی از قبیل باتری‌‌ها و خازن‌‌های الکتروشیمیایی می‌‌باشند.

بهبود کارآیی سیستم‌‌های ذخیره انرژی الکتریکی مانند خازن‌‌های الکتروشیمایی با ارائه و توسعه الکترود‌‌های جدید به منظور برآورده کردن نیاز وسایل الکترونیکی قابل حمل، وسایل نقلیه الکتریکی هیبریدی و تجهیزات صنعتی بزرگ ضروری به نظر می‌‌رسد.

در این پژوهش که توسط دکتر عبدالرضا میرمحسنی، آقای میرسعید سید دراجی و دکتر میرقاسم حسینی از دانشگاه تبریز صورت گرفته است، الیاف نانوکامپوزیتی متشکل از پلی‌‌آنیلین، نانولوله کربنی چند دیواره و نانوذرات اکسید فلزی به روش ریسندگی تر تهیه شد. از نانوذرات SnO₂،Fe₃O₄ (سنتزی) و TiO₂(دگوسا) به عنوان نانوذرات اکسید فلزی با رفتار شبه خازنی در تهیه الیاف استفاده شد. ظرفیت خازنی الیاف تهیه شده با تکنیک امپدانس الکتروشیمیایی، ولتامتری چرخه‌‌ای و شارژ-تخلیه در جریان ثابت اندازه‌گیری شد.

دکتر میرمحسنی، استاد دانشگاه تبریز، در این باره گفت: «تهیه الکترود الیافی به منظور استفاده در خازن‌‌های الکتروشیمیایی هدف اصلی این پژوهش بود. با توجه به ظرفیت شبه خارنی پلی‌‌آنیلین و تعدادی از اکسید‌‌های فلزی بر آن شدیم تا الکترود الیافی متشکل از سه جز پلی‌‌آنیلین، نانولوله کربنی چند دیواره و نانوذرات اکسید فلزی را تهیه و رفتار خازنی و همچنین تاثیر نانوذرات و نانولوله‌‌های کربنی را بر روی رفتار الکتروشیمایی الکترود الیافی مطالعه کنیم. یکی دیگر از اهداف پروژه حاضر، مطالعه اثرات بار و اندازه آنیون بر روی رفتار خازنی الیاف با استفاده از طیف سنجی امپدانس الکتروشیمیایی بود.»

به همین منظور این تیم تحقیقاتی ابتدا به سنتز نانوذرات اکسید فلزی به روش رسوبی پرداختند. سپس با تهیه نانوکامپوزیت‌‌های پلی‌‌آنیلین-اکسید فلزی به روش پلیمریزاسیون اکسایش شیمیایی، الیاف نانوکامپوزیتی مورد نظر را به روش ریسندگی تر تهیه کردند و به مطالعه رفتار خازنی الیاف در الکترولیت‌‌های اسیدی پرداختند.

به گفته دکتر میرمحسنی، حضور نانولوله‌‌های کربنی خواص مکانیکی الیاف را بهبود داده و نتایج مطالعات ولتامتری چرخه‌‌ای و شارژ-تخلیه در جریان ثابت الیاف نانوکامپوزیتی نشان داد که حضور نانولوله‌‌های کربنی چرخه‌‌پذیری الیاف را افزایش می‌‌دهد. نانوذرات نیز به عنوان قالب برای سنتز پلی‌‌آنیلین از طریق اکسایش شیمیایی آنیلین عمل می‌‌کنند. زنجیرهای پلی‌‌آنیلین نانوذرات اکسید فلزی را به عنوان قالب در برگرفته یا بر روی آن می‌‌چسبند. ساختار حاصل منجر به کوتاه شدن مسیر نفوذ الکترولیت در طول فرآیند شارژ-تخلیه و همچنین افزایش مساحت سطح در دسترس برای فرآیندهای الکتروشیمیایی می‌‌شود. مساحت سطح ویژه اندازه‌‌گیری شده با روش BET، افزایش سطح الکتروفعال را در نانوکامپوزیت‌‌ها تایید می‌‌کند.»

وی نتایج این پژوهش را این گونه توضیح داد: «مقادیر ۹٫۸، ۱۲٫۱، ۱۴٫۲، ۲۴٫۱ و ۲۹٫۷ F cm^-2  برای ظرفیت خازنی ویژه الیاف زیر، به ترتیب از چپ به راست، در سرعت روبش ۱۰mV s^-1 با تکنیک ولتامتری چرخه‌ای بدست آمد:

 PAni، PAni-MWCNT، PAni-TiO₂-MWCNT، PAni- Fe₃O₄-MWCNT ، PAni-SnO₂-MWCNT 

بالاترین ظرفیت خازنی مربوط به الیاف تهیه شده از نانوکامپوزیت PAni-SnO₂ است. ظرفیت خازنی الکترود PAni-SnO₂-MWCNT با افزایش جریان شارژ-تخلیه کاهش می یابد. با این وجود ۸۹درصد ظرفیت خازنی با افزایش دانسیته جریان از ۱mA cm^-2  به ۱۰mA cm^-2  حفظ شده‌است. ترتیب الیاف به عنوان الکترود با توجه به افزایش ظرفیت خازنی ویژه به صورت زیر بود:

 PAni-SnO₂-MWCNT> PAni-Fe₃O₄-MWCNT>PAni-TiO₂-MWCNT> PAni-MWCNT>PAni

ترتیب فوق بازگوکننده اثر هم‌‌افزایی نانوذرات اکسید فلزی قرارگرفته در ساختار پلی‌‌آنیلین بر روی ظرفیت خازنی الیاف است. با توجه به این که ورود آنیون‌‌ها به ساختار پلیمر فرآیند اصلی در خنثی کردن بار مثبت پلارن‌‌ها در محدوده پتانسیل-های مثبت است، نتایج مطالعات امپدانس الکتروشیمیایی نشان داد که ظرفیت خازنی فارادائی الیاف با کاهش اندازه آنیون‌‌ها افزایش می‌‌یابد.»

از الیاف تولیدی می‌‌توان به عنوان الکترود در خازن‌‌های الکتروشیمیایی استفاده کرد. همچنین این خازن‌‌ها را توانایی کاربرد در بخش‌‌های مختلف صنایع مثل خودروهای الکتریکی، وسایل ارتباط دیجیتالی، دوربین‌‌های دیجیتالی، تلفن‌‌های همراه، خودروهای هیبریدی الکتریکی، ابزارهای الکتریکی، تکنیک لیزر پالسی، ذخیره انرژی ایجاد شده به وسیله سل‌‌های خورشیدی و غیره که به سیستم‌‌های ذخیره انرژی الکتریکی نیاز دارند، را دارند.

نتایج این کار تحقیقاتی در مجله Electrochimica Acta (جلد ۷۰، ۳۰ ماه می سال ۲۰۱۲) منتشر شده است. علاقمندان می‌توانند متن این مقاله را در صفحات ۱۸۲ الی ۱۹۲ همین شماره مشاهده نمایند.