ساخت قلب پیل سوختی با فناوری نانو توسط محققان دانشگاه صنعتی امیرکبیر

به گزارش گروه علم و فناوری آنا از روابط عمومی دانشگاه صنعتی امیرکبیر، مهدی صدرجهانی، محقق دانشگاه صنعتی امیرکبیر و مجری رساله دکتری تحت عنوان «بررسی هدایت یونی در غشای تبادل یون بر پایه سازه‌های نانولیفی آرایش یافته SPEEK (پلی اتراترکتون سولفونه شده) با قابلیت کاربرد در پیل سوختی» گفت: «انرژی و محیط زیست، یکی از مشکلات پیش روی جامعه بشری در قرن 21 است».
وی افزود: «طبق اطلاعات منتشر شده توسط آژانس بین‌اللملی انرژی در سال 2011 میلادی، تقاضای جهانی برای انرژی، افزایش چشمگیر 40 درصدی بین سال‌های 2009 تا 2035 میلادی خواهد داشت که در این بین سوخت‌های فسیلی (زغال سنگ، گاز طبیعی و نفت خام) منابع اولیه تامین انرژی به شمار می‌روند».
وی با بیان این که این منابع محدوده است و باز تولید آنها میلیون‌ها سال به طول خواهد انجامید، افزود: «تولید، انتقال و استفاده از این منابع طبیعی مخاطرات زیست محیطی را نیز در پی دارد».
صدرجهانی خاطر نشان کرد: «احتراق ناشی از سوخت‌های فسیلی نه تنها آلاینده‌های هوا از قبیل اکسید گوگرد و فلزات سنگین تولید می‌کند بلکه گازهای گلخانه‌ای بوجود آمده منجر به تغییرات آب و هوای جهانی و افزایش دمای زمین خواهد شد».
وی حوزه انرژی و محیط زیست را مهم دانست و با تاکید بر توسعه فناوری و وسایل تبدیل انرژی پاک ادامه داد: «پیل سوختی، از جمله وسایل تبدیل انرژی پاک به شمار می‌رود که تا زمان تغذیه شدن توسط سوخت، انرژی شیمیایی را به صورت پیوسته به انرژی الکتریکی و مقداری حرارت تبدیل می‌کند؛ خروجی این وسیله الکتروشیمیایی طی فرآیند تبدیل انرژی، آب است که آن را تبدیل به یک فناوری دوستدار محیط زیست کرده است».
وی با بیان این که یکی از اجزای مهم در هر پیل سوختی، غشای تبادل پروتون است که به عنوان قلب پیل شناخته می‌شود، گفت: «غشای تبادل پروتون، به عنوان بستری برای هدایت پروتون (یون‌های H+) و جداکننده واکنش گرها درون پیل عمل می‌کند که بهبود عملکرد آن نقش به‌سزایی در افزایش بازدهی انرژی پیل سوختی دارد».
وی افزود: «از این‌ رو، در پژوهش حاضر با مهندسی ساختار غشاهای تبادل پروتون بر پایه نانولیف‌هادی پروتون و استفاده از مفهوم هیبریدی برای همپوشانی نقاط ضعف مواد یونومری، گامی در جهت بهبود هدایت پروتونی در غشاهای تبادل پروتون برداشته شد».
به گفته صدرجهانی، در میان مواد نانومقیاس، نانوالیاف با ویژگی‌های جالب توجه خود می‌توانند بستر مناسبی برای هدایت پروتون باشند؛ که با استفاده از روش الکتروریسی امکان تولید نانوالیاف و کنترل بر روی مورفولوژی، نظم قرارگیری در ساختار سه‌بعدی و اجزا تشکیل دهنده آنها وجود دارد.
این محقق با اشاره به روند پروژه خود خاطر نشان کرد: «سازه‌های نانولیفی با آرایش‌های نانوالیاف متفاوت تصادفی و موازی شده در صفحه غشا از نانوالیاف الکتروریسی شده پلی‌اتراترکتون سولفونه شده (SPEEK) با قابلیت هدایت پروتون تهیه شده و رفتار انتقال پروتون این ساختارها ارزیابی و مدل‌سازی شد».
صدرجهانی ادامه داد: «علاوه بر این، از آنجایی که راستای عبور یون از میان غشا در پیل سوختی (راستای ضخامت غشا) اهمیت بسزایی در هدایت پروتونی دارد، غشاهای کامپوزیت نانولیفی با نانوالیاف‌هادی پروتون آرایش یافته در راستای عبور (عمود بر صفحه غشا) به عنوان یک غشای نانولیفی جدید ساخته و رفتار انتقال پروتون آنها نیز بررسی شدند».
وی با اشاره به هدف این طرح بیان داشت: «هدف اصلی این پژوهش ارتقای عملکرد هدایت پروتونی در غشاهای تبادل پروتون نانولیفی بود که نتایج به‌دست آمده از نمونه‌های آزمایشگاهی و مدل‌های ارائه شده در این مطالعه، به خوبی اثر مثبت آرایش یافتگی موازی نانوالیاف‌هادی پروتون درون ساختار سه بعدی غشا را روی بهبود هدایت پروتونی نشان داد».
وی با اشاره به یکی از نتایج طرح افزود: «افزایش میزان موازی شدن نانوالیاف درون ساختار سه‌بعدی، منجر به بهبود هدایت پروتونی 67 درصدی نسبت به نمونه با آرایش تصادفی نانوالیاف شد».
وی عنوان کرد: «علاوه براین، اندازه گیری هدایت پروتونی از میان صفحه در دمای محیط و رطوبت نسبی 100درصد برای نمونه جدید ساخته شده در این پژوهش نشان داد که قرار گرفتن نانوالیاف‌هادی پروتون SPEEK در راستای ضخامت یا عبور می‌تواند منجر به بهبود قابل ملاحظه 8/1-7/0 برابری هدایت پروتونی نسبت به نمونه‌های فیلم مانند SPEEK گزارش شده در سایر مطالعات شود که به صورت متداول به عنوان غشای تبادل پروتون در کاربردهای پیل سوختی به کار گرفته شده است».
به گفته وی، این غشا از هدایت پروتونی مناسبی ( 98.68 mS/cm) جهت کاربرد در پیل سوختی برخوردار است که قابل مقایسه با غشای تجاری نفیون است.
وی ادامه داد: «پژوهش حاضر، از جنبه‌های کسب فناوری، ارتقای مرزهای دانش و بهبود ویژگی محصول حائز اهمیت است. در این مطالعه، فناوری تولید غشای تبادل پروتون برپایه نانوالیاف آرایش یافته در راستای عبور به‌دست آمد و غشای کامپوزیت نانولیفی جدید طی چند مرحله مختلف تهیه شد».
وی عنوان کرد: «در ساخت این غشا از نانوالیاف‌هادی پروتون SPEEK، ماده محافظتی و پرکننده لایه نانولیفی و ماده اتصال دهنده لایه‌های مختلف استفاده شده است».
این محقق دانشگاه صنعتی امیرکبیر اظهار کرد: «وجه تمایز این غشا با تمامی غشاهای تبادل پروتون نانولیفی گزارش شده در مطالعات مختلف است که در آن نانوالیاف از آرایش یافتگی در راستای ضخامت غشا برخوردارند در صورتی که در سایر غشاها، نانوالیاف در صفحه غشا آرایش پیدا کرده‌اند».
وی گفت: «روابط ارائه شده در این پژوهش برای پیش‌بینی هدایت پروتونی بر مبنای مدل شبکه لیفی و مکانیک تماسی می‌تواند به ارتقای مرزهای دانش در حوزه غشاهای تبادل پروتون نانولیفی کمک کرده است و جوابگوی سوالات پیش روی برای رفتار انتقال پروتون در سازه نانولیفی‌هادی پروتون و غشاهای تشکیل شده از آنها باشد».
صدرجهانی اظهار کرد: «از منظر بهبود ویژگی نیز همان طور که اشاره شد، آرایش یافتگی نانوالیاف در صفحه غشا و به خصوص زمانی که در راستای ضخامت غشا قرار می‌گیرند، با افزایش تعداد مسیر و کاهش طول مسیر برای انتقال پروتون منجر به بهبود هدایت پروتونی شده است که یک پارامتر مهم در پیل سوختی به شمار می‌رود».
به گفته این محقق، علاوه بر این، نانوالیاف الکتروریسی شده رطوبت محتوی بیشتر، جدایی فاز بهتر و بخش‌های نیمه بلوری کمتری درون ریزساختار خود نسبت به نمونه فیلم مانند دارند که یک مزیت مهم از منظر تسهیل انتقال پروتون می‌باشد.
وی تاکید کرد: «نتایج حاصله از این پژوهش را می‌توان در ارائه روشی برای بهبود هدایت پروتونی غشای تبادل پروتون مورد استفاده در پیل سوختی که یکی از وسیله‌های تولید انرژی پاک است، مورد توجه قرار داد. از طرف دیگر استفاده از نانوالیاف در ساختار غشاهای تهیه شده، پتانسیل فناوری نانو را در بهبود عملکرد غشای تبادل پروتون نشان می‌دهد».
وی با اشاره به معرفی ویژگی‌های طرح گفت: «استفاده از نانوالیاف الکتروریسی شده به عنوان بستری برای هدایت پروتون، آرایش دادن نانوالیاف‌ هادی پروتون در راستای ضخامت یا عبور غشا، ارائه مدل تئوری برای پیش‌بینی هدایت پروتونی سازه نانولیفی و همخوانی مناسب آن با نتایج آزمایشگاهی، قابل مقایسه بودن هدایت پروتونی غشای تبادل پروتون نانولیفی بدست آمده است در این پژوهش با غشای تجاری نفیون ویژگی‌های این طرح محسوب می‌شود».
به گفته صدرجهانی، نمونه داخلی و خارجی برای غشای تبادل پروتون کامپوزیتی برپایه نانوالیاف آرایش یافته در راستای عبور وجود ندارد.
وی با اشاره به مزیت‌های رقابتی طرح اظهارداشت: «ارائه ریزساختار مناسب برای انتقال پروتون (جدایی فاز بهتر و بخش‌های نیمه بلوری کمتر نانوالیاف الکتروریسی شده SPEEK نسبت به نمونه متداول فیلمSPEEK )، بهبود هدایت پروتونی با کنترل نحوه آرایش نانوالیاف درون ساختار سه‌بعدی غشا از مزیت‌های این طرح به شمار می‌رود».
وی با اشاره به کاربردهای پروژه گفت: «از نتایج این رساله دکتری می‌توان به عنوان غشای تبادل پروتون در پیل سوختی برای تأمین انرژی پاک استفاده کرد».
گفتنی است، این رساله دکتری با راهنمایی دکتر علی اکبر قره آقاجی و به مشاوره دکتر مهران جوانبخت، اساتید دانشگاه صنعتی امیرکبیر انجام گرفته است. تا کنون دو مقاله ISI از این پژوهش منتشر شده و مقالات مربوط به سایر بخش‌های پژوهش در حال آماده سازی است.