توسعه نانو کاتالیزوری برای افزایش کارایی باتریهای روی هوا با هزینه کمتر
پژوهشگران دانشگاه مراغه با همکاری محققانی از آکادمی علوم چین، دانشگاه نینگبو و دانشگاه ونژو، نانوکاتالیزور جدیدی طراحی کردهاند که میتواند عملکرد باتریهای روی-هوا را بهطور قابلتوجهی بهبود دهد. این ماده با جایگزینی فلزات گرانبها مانند پلاتین، گامی مهم در توسعه سامانههای ذخیره و تبدیل انرژی پاک با هزینه کمتر و دوام بیشتر محسوب میشود.
معماری نانویی؛ کلید موفقیت کاتالیزور جدید
بخش نانویی این پژوهش در طراحی نانوساختارهای کربنی توخالی موسوم به «نانونی کربنی» (Carbon Nanostraws) و ایجاد مراکز فعال کبالت-نیتروژن (Co-Nx) در مقیاس نانو نهفته است. این نانوساختارها به عنوان بستری برای تثبیت مولکولهای فتالوسیانین آهن (FePc) عمل میکنند و با افزایش سطح فعال و بهبود انتقال الکترون، کارایی کاتالیزور را به شکل محسوسی افزایش میدهند.
پژوهشگران برای ساخت این ماده، ابتدا پیشمادهای بر پایه چارچوبهای آلی فلزی (MOF) حاوی ایندیوم و کبالت تهیه کردند. سپس طی فرآیند کربنیزه کردن و نیتریداسیون در دمای بالا، ساختاری توخالی و لولهمانند از کربن به دست آمد که در آن تعداد زیادی مراکز فعال Co-Nx ایجاد شده بود. در مرحله بعد، مولکولهای فتالوسیانین آهن روی این نانوساختار تثبیت شدند.
همافزایی مراکز فعال؛ راز عملکرد فوقالعاده
فتالوسیانین آهن یکی از شناختهشدهترین کاتالیزورهای مولکولی برای واکنش کاهش اکسیژن است، اما این مولکولها معمولاً تمایل دارند به یکدیگر بچسبند و تجمع پیدا کنند؛ موضوعی که باعث کاهش تعداد مراکز فعال و افت عملکرد کاتالیزور میشود. نتایج این پژوهش نشان داد که حضور مراکز Co-Nx این مشکل را تا حد زیادی برطرف میکند. این مراکز نهتنها ساختار Fe-N₄ را تنظیم و پایدار میکنند، بلکه از تجمع بیش از حد مولکولهای فتالوسیانین آهن نیز جلوگیری کرده و تعداد بیشتری از مراکز فعال را در معرض واکنش قرار میدهند.
به گفته پژوهشگران، علت اصلی بهبود عملکرد، همافزایی میان مراکز فعال Fe-N₄ و Co-Nx است. این دو نوع مرکز فعال با همکاری یکدیگر، انرژی لازم برای انجام واکنش کاهش اکسیژن را کاهش میدهند و انتقال الکترون را تسهیل میکنند. در نتیجه، واکنش با سرعت بیشتری انجام شده و بازده باتری افزایش مییابد.
عملکرد برتر در باتری روی-هوا
آزمایشهای الکتروشیمیایی نشان داد نانوکاتالیزور FePc@HCoNC عملکرد بسیار مطلوبی در واکنش کاهش اکسیژن دارد. این ماده پتانسیل آغاز واکنش برابر با ۰٫۹۸۳ ولت و پتانسیل نیمموج ۰٫۹۱۴ ولت را ثبت کرد. همچنین چگالی جریان محدودکننده آن به ۵٫۱۸ میلیآمپر بر سانتیمتر مربع رسید که نشاندهنده فعالیت بالای کاتالیزوری آن است.
برای ارزیابی عملکرد عملی، پژوهشگران از این نانوکاتالیزور در ساخت باتریهای روی-هوا استفاده کردند. نتایج نشان داد باتری ساختهشده با این کاتالیزور دارای ولتاژ مدار باز ۱٫۵۲۴ ولت و حداکثر چگالی توان ۱۵۳٫۰۶ میلیوات بر سانتیمتر مربع است که از کاتالیزور تجاری مبتنی بر پلاتین (Pt/C) نیز فراتر رفت. همچنین ظرفیت ویژه تخلیه ۷۵۸٫۱ میلیآمپرساعت بر گرم و ۱۵۰ ساعت عملکرد پایدار و مداوم از دیگر دستاوردهای این پژوهش است.
کاربرد گسترده و تجاریسازی
پژوهشگران در پایان تأکید میکنند که این دستاورد میتواند مسیر توسعه کاتالیزورهای ارزان و بدون فلزات گرانبها را هموار کند. کاهش وابستگی به پلاتین و سایر فلزات کمیاب، علاوه بر کاهش هزینه تولید، امکان تجاریسازی گستردهتر باتریهای روی-هوا و دیگر سامانههای تبدیل و ذخیره انرژی را فراهم خواهد کرد.
به اعتقاد محققان، راهبرد اتصال مولکولهای فعال آهن به نانوساختارهای کربنی دارای مراکز Co-Nx، تنها به باتریهای روی-هوا محدود نمیشود و میتواند در توسعه پیلهای سوختی، سامانههای الکتروشیمیایی و سایر فناوریهای مرتبط با انرژی پاک نیز مورد استفاده قرار گیرد.
About the Author
