پیل سوختی ارزان‌تر با کاور اتمی گرافنی

به گزارش گروه علم و فناوری آنا به نقل از Futurity، کاتالیزورهایی که واکنش کاهش اکسیژن را به وجود می‌آورند و به سلول‌های سوختی اجازه تبدیل انرژی شیمیایی به برق را می‌دهند، معمولا از پلاتین ساخته می‌شوند. پلاتین مقاومت بالایی در برابر ماهیت اسیدی الکترولیت حمل شارژ سلول از خود نشان می‌دهد اما ماده گران‌قیمتی است؛ دانشمندان مدت زیادی است که به دنبال جایگزین مناسبی برای پلاتین هستند.

روتنیم عنصر جامد سفید نقره‌ای از گروه پلاتین است.

به گفته جیمز تور، استاد مهندسی نانو و علوم مواد دانشگاه رایس، ترکیبی از روتنیم-گرافن می‌تواند راه حل مناسبی باشد. تیم تحقیقاتی وی این ماده را در آزمایشگاه توسعه داده‌اند. در آزمایش‌ها، عملکرد این ماده به آسانی با آلیاژهای مبتنی بر پلاتین معمولی هم‌خوانی داشت؛ همچنین به بهترین وجه ممکن با گرافن آهن‌دار و دوغاب نیتروژن تعامل کرد.

تور در این باره می‌گوید: «وقتی که روتنیم در میان آرایش چهار اتم نیتروژن قرار می‌گیرد، تبدیل به یک کاتالیزور بسیار فعال می‌شود و قیمت آن هم یک دهم هزینه پلاتین معمولی است. همچنین از آنجا که به جای ذرات کوچک از سایت‌های اتمی منفرد استفاده می‌کنیم، خبری از اتم واکنش‌ناپذیر نیست. همه اتم‌ها برای واکنش دادن در دسترس قرار می‌گیرند».

به گفته تور، مشخص شد که پخش کردن اتم‌های روتینم منفرد در سرتاسر ورقه‌ای از گرافن، کربن به ضخامت یک اتم، راه ساده‌ای برای انجام این کار است. این امر شامل پراکنده‌سازی اکسید گرافن در یک محلول، بارگیری در مقدار اندکی روتنیم، سپس فریز کردن محلول جدید و تبدیل آن به یک فوم می‌شود.

پخت این فوم در دمای 750 درجه سانتی‌گراد در حضور گاز هیدروژن و نیتروژن، میزان گرافن را کاهش می‌دهد و اتم‌های نیتروژن را در سطح نگه می‌دارند؛ بدین ترتیب محلی را ایجاد می‌کند تا اتم‎های روتینم بهم بپیوندند.

موادی که در دمای بالاتر یا پایین‌تر ساخته شدند جالب توجه نبودند. همچنین ساخت مواد در دمای مناسب اما بدون روتنیم یا نیتروژن نشان داد که کیفیت واکنش‌دهی به حضور هر دو بستگی دارد.

این ماده تحمل بالایی در برابر متانول و مونواکسید کربن در یک محیط اسیدی متوسط از خود نشان داد، که هر دوی این موارد باعث کاهش بازدهی سلول سوختی می‌شوند. این کاهش در بازدهی یکی از مشکلات اصلی در پیل سوختی پلاتینی معمولی نیز دیده می‌شود.

مترجم: هانا حیدری