گره کور پیل‌های سوختی با فناوری نانو باز شد

دانشمندان راهکاری نوآورانه برای کاهش نشت سوخت و افزایش بهره‌وری پیل‌های سوختی ارائه داده‌اند که به کمک این یافته چالش دیرینه حوزه انرژی پاک حل می‌شود.

کد خبر: ۷۹۹۹۱۱

تاریخ: ۱۶ ارديبهشت ۱۴۰۴ - ۰۹:۰۹

به گزارش روز سه‌شنبه گروه علمی ایران اکونومیست از ستاد ویژه توسعه فناوری نانو، پژوهشگران دانشگاه وندربیلت (Vanderbilt University) در آمریکا به همراه همکارانی از دانشگاه‌های کلگری (University of Calgary) و وسترن (Western University) در کانادا، موفق به توسعه روشی مبتنی بر گرافن شده‌اند که می‌تواند گامی بزرگ در بهبود عملکرد پیل‌های سوختی بدون قربانی کردن راندمان آن‌ها باشد.

این یافته، یک چالش دیرینه در حوزه انرژی پاک را حل می‌کند و می‌تواند به تسریع گذار جهانی به سمت اقتصاد مبتنی بر هیدروژن کمک کند.

پیل‌های سوختی به غشاهای تبادل پروتون (PEM) وابسته‌اند که پروتون‌ها را از خود عبور می‌دهند، اما باید در برابر عبور مولکول‌های بزرگ‌تری چون هیدروژن مقاومت کنند. یکی از راهکارهای رایج برای بهبود عملکرد، نازک‌کردن این غشاهاست، که باعث کاهش مقاومت و افزایش چگالی توان می‌شود. اما این کاهش ضخامت معمولاً به قیمت افزایش نشت هیدروژن تمام می‌شود و بازده کلی سیستم را پایین می‌آورد.

در این پژوهش، این تیم تحقیقاتی با افزودن یک لایه‌ تک‌اتمی از گرافن تولیدشده با روش رسوب‌دهی شیمیایی از بخار (CVD graphene) به ساختار PEM، توانستند نشت هیدروژن را تا بیش از ۵۰ درصد کاهش دهند، بدون اینکه رسانایی پروتونی غشا کاهش یابد.

لایه‌ گرافنی به‌کاررفته دارای منافذی در ابعاد اتمی و نانومتری است که مانند یک صافی هوشمند عمل می‌کند: به پروتون‌ها اجازه عبور می‌دهد، اما در برابر عبور مولکول‌های بزرگ‌تری مانند گاز هیدروژن مقاومت می‌کند. این ویژگی منحصربه‌فرد به‌ویژه در سیستم‌های پیل‌سوختی که نیاز به دقت بالا و نشت بسیار پایین دارند، اهمیت بالایی دارد.

پیران کیدامبی (Piran Kidambi)، استادیار مهندسی شیمی و زیست‌مولکولی دانشگاه وندربیلت، در توضیح اهمیت این دستاورد گفت: شما می‌خواهید پروتون‌ها عبور کنند، اما مولکول‌های هیدروژن را حفظ کنید. روش ما بدون کاهش عملکرد نسبت به غشاهای معمولی، نشت سوخت را به‌شکل چشمگیری کاهش می‌دهد. این در این حوزه بسیار مهم است.

این فناوری جدید، تنها به بهبود طراحی‌های فعلی محدود نمی‌شود؛ بلکه افق‌های تازه‌ای برای آینده‌ای مبتنی بر هیدروژن نیز می‌گشاید. استفاده از این غشاهای تقویت‌شده می‌تواند بهره‌وری پیل‌های سوختی را در صنایعی مانند حمل‌ونقل سنگین (کامیون‌ها، کشتی‌ها و قطارها) به‌شکل چشمگیری ارتقا دهد؛ حوزه‌هایی که الکتریکی‌کردن آن‌ها به‌دلیل مصرف انرژی بالا با چالش مواجه است.

کیدامبی در ادامه افزود: کاربردهای هیجان‌انگیزی در پیش داریم. زیرساخت‌های تولید و انتقال هیدروژن هنوز محدود است. اما تصور کنید بتوانیم هیدروژن را از منابعی همچون ضایعات کشاورزی یا صنعتی تولید و با استفاده از غشاهایی مانند محصول ما، آن را تصفیه کرده و در پیل‌های سوختی بسیار کارآمد به‌کار ببریم تا سامانه‌های حمل‌ونقل و انرژی را بدون کربن کنیم.