محققان دانشگاه صنعتی امیرکبیر راه حل جدیدی را برای ساخت چارچوب های فلزی-آلی به عنوان الکتروکاتالیست برای تولید هیدروژن ارائه کردند.
به گزارش ایسنا، حامد شوشتری یکی از محققین این طرح که به سرپرستی دکتر میلاد رضایی، دانشیار دانشکده مهندسی مواد و متالورژی دانشگاه صنعتی امیرکبیر، این مطالعات را با عنوان «سنتز نانوساختارهای نیکل-آنتیموان اصلاح شده با چارچوب فلزی-آلی به عنوان الکتروکاتالیست برای تولید هیدروژن» اجرا کرد. افزایش تقاضای انرژی، کاهش سوخت‌های فسیلی و آلودگی محیط‌زیست به دلیل استفاده گسترده از سوخت‌های فسیلی باعث شده است تا به استفاده از انرژی‌های تجدیدپذیر توجه بیشتری شود.
بحث انرژی های تجدیدپذیر سال هاست که در سطح جهان و ایران رونق گرفته است، اما سهم ایران در استفاده از این انرژی های تجدیدپذیر و بی پایان بسیار ناچیز است. با این حال، ظرفیت واقعی تولید انرژی های تجدیدپذیر ایران به دلیل ماهیت و موقعیت جغرافیایی آن بسیار بالاست.
وی ادامه داد: در میان تمام انرژی های تجدیدپذیر، انرژی هیدروژن به دلیل مزایایی مانند ظرفیت انرژی ویژه بالا، قابلیت ذخیره سازی، فراوانی و پایداری زیست محیطی اخیرا مورد توجه قرار گرفته است. زیرا سوخت هیدروژنی امکان استفاده از انواع مواد خام برای تولید انرژی با بهره وری بالا را برای جبران کمبود انرژی فراهم می کند.
شوشتری با در نظر گرفتن تجزیه الکتروشیمیایی آب به عنوان موثرترین روش برای تولید هیدروژن یادآور شد: فرآیند تجزیه الکتروشیمیایی آب از نظر اکولوژیکی ایده آل ترین و تمیزترین روش برای تولید هیدروژن به شمار می رود. این روش تبدیل انرژی الکتریکی به انرژی شیمیایی با استفاده از الکتروکاتالیست انجام می شود.
این محقق با تاکید بر اینکه بدون الکتروکاتالیست واکنش موثری در فرآیند تجزیه الکتروشیمیایی آب رخ نمی دهد، تصریح کرد: معمولاً از مواد بر پایه پلاتین، ایریدیم یا روتنیم به عنوان الکتروکاتالیست در تولید هیدروژن استفاده می شود، اما قیمت بالا و منابع محدود مانع از فراگیر شدن آن می شود. استفاده کنید. از این مواد ساخته شده است. بنابراین، توسعه و معرفی مواد جدید به عنوان الکتروکاتالیست ضروری است.
وی خاطرنشان کرد: هدف اصلی این تحقیق به دست آوردن دانش فنی تولید الکتروکاتالیست هایی با راندمان و دوام بالا با استفاده از روش سنتز ساده و کم هزینه، مواد ارزان قیمت و منابع دسترسی فراوان است.
شوشتری با بیان اینکه در این پروژه تحقیقاتی از چارچوب های فلزی-آلی (MOFs) برای ایجاد ساختار درون فازی ناهمگن همراه با نانوساختار نیکل-آنتیموان استفاده شده است، خاطرنشان کرد: چارچوب های فلزی-آلی به عنوان دسته جدیدی از مواد، کریستال هایی با ساختار سه بعدی هستند. و سلسله مراتبی که برای تولید الکتروکاتالیست ها استفاده می شود زیرا دارای خواص برجسته زیادی هستند مانند: ب- ساختار متخلخل، سطح فعال الکتروشیمیایی بسیار بزرگ و ترکیب آسان با مواد دیگر به طور مستقیم یا به عنوان پیش ساز.
وی انتخاب یک چارچوب فلزی-آلی مناسب برای یک کاربرد خاص را چالشی اساسی در این پژوهش خواند و گفت: در این تحقیق از چارچوب های مبتنی بر دو فلز نیکل و کبالت استفاده کرده ایم و موفق به ایجاد چارچوب شده ایم. الکتروکاتالیست (هم آند و هم کاتد) برای سنتز NiCo-MOF@NiSb با فعالیت الکتروشیمیایی بالا و پایداری طولانی مدت در محیط قلیایی.
به گفته این دانشمند از دانشگاه صنعتی امیرکبیر، در اکثر مطالعات از روش تجزیه در اثر حرارت بالا یا روش هیدروترمال که به دما، فشار و زمان زیادی نیاز دارد، برای تولید چارچوب های فلزی-آلی استفاده شده است.
علاوه بر این، در بسیاری از فرآیندهای تولید کاتالیزور، مواد به‌دست‌آمده به صورت پودر هستند که نیاز به فرآیندهای اضافی برای قرار دادن آنها روی سطح الکترود دارد که در بیشتر موارد از چسب‌های پلیمری و افزودنی‌های رسانا استفاده می‌شود.
شوشتری افزود: این امر باعث کاهش سطح فعال و در نتیجه کاهش فعالیت الکتروکاتالیستی و پایداری می شود.
به گفته وی، این محققان با استفاده از روش رسوب الکتروشیمیایی چهار هدف اصلی را دنبال کردند که عبارتند از:
* اعمال پوشش روی سطح زیرلایه بدون استفاده از چسب های پلیمری (استفاده از چسب باعث شد که فعالیت الکتروکاتالیستی ذاتی الکترود بدون تغییر باقی بماند).
* کنترل پذیری بسیار خوب در ترکیب شیمیایی (مراکز دو فلزی در چارچوب با بیشترین توزیع و یکنواختی ایجاد شده اند).
* صرفه جویی در زمان و دمای سنتز (زمان سنتز از 24 ساعت به 15 دقیقه و دمای سنتز از دمای بالای 120 درجه سانتیگراد تا دمای محیط کاهش یافت).
* کاهش هزینه های ساخت (از آنجایی که از تجهیزات و امکانات اضافی استفاده نمی شد، هزینه های سنتز به میزان قابل توجهی کاهش یافت).
شوشتری تاکید کرد: تاکنون چارچوب فلزی-آلی بر پایه نیکل و کبالت که به روش رسوب الکتروشیمیایی در زمان سنتز و دمای پایین به صورت لایه نازک با پایداری عالی قابل تهیه بوده و در عین حال دارای خواص الکتروکاتالیستی خوب برای تولید همزمان هیدروژن و می تواند اکسیژن را تامین کند گزارش نشده است.
این دانشجوی دانشگاه صنعتی امیرکبیر در خصوص کاربردهای این مطالعات گفت: نتایج این طرح تحقیقاتی می تواند برای محققان و صنعت گران فعال در زمینه تولید کاتالیست بسیار مفید و کاربردی باشد.
با توجه به کارایی و راندمان تبدیل انرژی بالای این نوع الکتروکاتالیست ها، علاوه بر تولید هیدروژن، می توان از آنها برای جذب و کاهش هیدروژن نیز استفاده کرد. دی‌اکسید کربن استخراج‌شده از گازهای خروجی نیروگاه‌ها و کارخانه‌ها در سیستم‌های تصفیه آب و فاضلاب و سم‌زدایی فاضلاب‌های شهری و آزمایشگاهی استفاده می‌شود.
به گفته این محقق، در این پروژه تحقیقاتی، برای اولین بار از نانوساختار نیکل-آنتیموان به عنوان الکتروکاتالیست برای تولید هیدروژن استفاده شد که در آن چارچوب فلزی-آلی مبتنی بر دو عنصر نیکل و کبالت به صورت یک لایه نازک با کمترین زمان و کمترین هزینه به روش الکتروشیمیایی روش رسوب گذاری به منظور درک رفتار الکتروشیمیایی و ترمودینامیکی این الکتروکاتالیست‌ها، مدل‌سازی نظری بر اساس DFT نیز انجام شد. بر اساس این نوآوری ها، 6 مقاله ISI از پروژه تحقیقاتی فعلی در مجلات معتبر با ضریب تاثیر بالا منتشر شد.