نانوذرات روبنده می توانند وسایل نقلیه پیل سوختی را به واقعیت تبدیل کنند

31 مارس 2022توسط ژاکلین کری، دانشگاه ایلینوی در شیکاگو -اعتبار: دامنه عمومی Pixabay/CC0

مهندسان دانشگاه ایلینویز شیکاگو در میان تیمی مشترک هستند که ماده‌ای را توسعه داده‌اند که می‌تواند به سیستم‌های پیل سوختی برتری رقابتی نسبت به سیستم‌های باتری که در حال حاضر بیشتر خودروهای الکتریکی را تامین می‌کنند، بدهد.

برخلاف باتری‌های لیتیومی، فناوری پیل سوختی برای تولید انرژی بر واکنش‌های شیمیایی مبتنی بر کاتالیزور متکی است. باتری‌های لیتیومی معمولاً می‌توانند با یک بار شارژ به بردی بین 100 تا 300 مایل برسند، اما در مقابل هزینه‌های بالای مواد کاتد و ساخت نیز آسیب‌پذیر هستند و برای شارژ به چندین ساعت نیاز دارند. روش دیگر، سیستم‌های پیل سوختی از عناصر فراوانی مانند اکسیژن و هیدروژن بهره می‌برند و می‌توانند با یک بار شارژ به بیش از 400 مایل دست یابند که در کمتر از پنج دقیقه انجام می‌شود. متأسفانه، کاتالیزورهایی که برای نیرو دادن به واکنش‌هایشان استفاده می‌شوند، از موادی ساخته شده‌اند که یا خیلی گران هستند (به عنوان مثال، پلاتین) یا خیلی سریع تجزیه می‌شوند که تاکنون کاربردی نباشند.

با توسعه مواد افزودنی جدید، دانشمندان می توانند یک کاتالیزور پیل سوختی ارزان قیمت آهن-نیتروژن-کربن را بادوام تر کنند. هنگامی که این ماده افزودنی به واکنش‌های شیمیایی اضافه می‌شود، از سیستم‌های پیل سوختی در برابر دو تا از خورنده‌ترین محصولات جانبی خود محافظت می‌کند: ذرات ناپایدار مانند اتم‌ها، مولکول‌ها یا یون‌ها به نام رادیکال‌های آزاد و پراکسید هیدروژن.

یافته های آزمایشات آنها در مجله علمی Nature Energy گزارش شده است.

رضا شهبازیان یاسر، استاد مهندسی مکانیک و صنایع در کالج مهندسی UIC، و همکارانش از تکنیک‌های تصویربرداری پیشرفته برای بررسی واکنش‌های این ماده استفاده کردند، افزودنی متشکل از نانوذرات اکسید تانتالیوم-تیتانیوم که رادیکال‌های آزاد را از بین می‌برند و غیرفعال می‌کنند. تصویربرداری با وضوح بالا از ساختارهای اتمی به دانشمندان اجازه داد تا پارامترهای ساختاری مورد نیاز برای کارکرد افزودنی را تعریف کنند.

شهبازیان-یاسر، نویسنده همکار این مطالعه، گفت: «در آزمایشگاه خود، ما می‌توانیم از میکروسکوپ الکترونی برای گرفتن تصاویری با جزئیات بسیار با وضوح اتمی از مواد تحت شرایط مختلف خدمات استفاده کنیم.» از طریق بررسی‌های ساختاری خود، متوجه شدیم که در ساختار اتمی افزودنی‌ها چه اتفاقی می‌افتد و توانستیم اندازه و ابعاد نانوذرات جاذب، نسبت تانتالیوم و اکسید تیتانیوم را شناسایی کنیم. این منجر به درک وضعیت صحیح مواد افزودنی شد. که آلیاژ محلول جامد مورد نیاز برای افزودنی برای محافظت از پیل سوختی در برابر خوردگی و تخریب می باشد.

آزمایش‌ها نشان داد که محلول جامد تانتالیوم و اکسید تیتانیوم مورد نیاز است و نانوذرات باید حدود پنج نانومتر باشند. آزمایشات همچنین نشان داد که نسبت 6-4 تانتالیوم به اکسید تیتانیوم مورد نیاز است.

شهبازیان گفت: «این نسبت کلید خاصیت مهار رادیکال مواد نانوذره است و محلول حالت جامد به حفظ ساختار محیط کمک کرده است».

آزمایش‌ها نشان داد که وقتی مواد نانوذرات روبنده به واکنش‌های سیستم‌های پیل سوختی اضافه شد، بازده پراکسید هیدروژن به کمتر از 2 درصد کاهش یافت – کاهش 51 درصدی – و کاهش چگالی جریان سلول‌های سوختی از 33 درصد به تنها 3 درصدکاهش یافت.

وی گفت: پیل‌های سوختی به دلیل برد حرکتی بالاتر، قابلیت شارژ سریع، وزن سبک‌تر و حجم کمتر، جایگزین جذابی برای باتری‌ها هستند، مشروط بر اینکه بتوانیم راه‌های اقتصادی‌تری برای جداسازی و ذخیره هیدروژن پیدا کنیم. در این مقاله، رویکردی را گزارش می‌کنیم که ما را به واقعیت ساختن خودروهای پیل سوختی و سایر فناوری‌های پیل سوختی نزدیک‌تر می‌کند.