پیل های سوختی با غشاهای شیاردار برای بازده های بالا

---

تاریخ انتشار روی سایت: 12 بهمن ماه 1402

تاریخ انتشار بر روی ژورنال: 4 خرداد ماه 1402

نویسندگان: ChungHyuk Lee,2, Wilton J. M. Kort-Kamp, Haoran Yu, David A. Cullen, Brian M. Patterson5, Tanvir Alam Arman, Siddharth Komini Babu, Rangachary Mukundan, Rod L. Borup & Jacob S. Spendelow

DOI: https://doi.org/10.1038/s41560-023-01263-2

نگارشگر خلاصه نامه: سید امیرحسین میرصدری

بسیاری تحقیقات روی انرژی های پاک انجام شده که از جمله این تحقیقات میتوان به تحقیقات بر روی پیل¬های سوختی نام برد. تقریبا همه ما کاتالیست های پلاتینی بر پایه بستر کربنی به عنوان معروفترین و پایه ای ترین کاتالیست انتقال اتم هیدروژن و اکسیژن میشناسیم و خواص بسیار آن بر محققان محرز است. اما کاری باید کرد تا این کاتالیست ها بازدهی بیشتر داشته باشند و همچنین ابعاد کوچکتری هم داشته باشند و در شرایط رطوبتی متفاوت واکنش هایی با بازدهی ثابت از خود نشان دهد. از این نظر که در حال حاضر بسیاری موتور بر پایه پیل سوختی بر روی خودروهای سبک و سنگین طراحی شده تا بتواند جایگزین مناسبی برای موتورهای آلاینده باشد. نیاز روز این موتورها چه در خودرو و چه در سایر صنایع بازدهی بیشتر و اندازه کوچکتر با وزن کم است که بتواند در شرایط آب و هوایی مختلف و همچنین رطوبتی متفاوت بازدهی ثابت داشته باشد و یا بسیار کم تغییر کند. این نیاز را تنها با اصلاح شکل و نحوه قرارگیری الکترود و پوشش نانوکامپوزیت در تحقیقی نوین میتوان بررسی و اغنا کرد. به اینصورت که متوجه شده اند که اگر بتوانیم سطح پوششی الکترود را از سطحی صاف به سطحی شیاردار و فشرده روی هم تغییر دهیم بازدهی انتقال اکسیژن و هیدروژن برای واکنش احیای اکسیژن افزایش قابل توجهی خواهد یافت. غشاهای روی الکترود که برای انتقال گاز استفاده میشوند، عموما دارای یونومر و یا تبادل کننده هستند، این یونومرها اگر در سطح الکترود اشباع شوند به دلیل اینکه میتوانند حفره های روی سطح را کم کم بپوشانند در نهایت باعث کم شدن بازده انتقال میشوند. از این رو یک مقیاسی برای این مهم تعریف میشود و عبارت است از تعداد یونومرها بر مقدار کربن بستر (I/C).

ابنابراین هنگامی که I/C افزایش یابد کمترین بازده برای سطح صاف (مقدار اپتیمم برای سطح صاف 9/0 میباشد) و بازده بیشتر برای سطحی است که بتواند حفره های بیشتری داشته باشد. سطح صاف بدلیل عمق کم و مسیرهای پر پیچ و خم بسیار زیاد و در عین حال طولانی نمیتواند بازدهی مناسبی داشته باشد درواقع مقاومت نسبت به انتقال مولکول اکسیژن بالا میرود. از اینرو این مطالعه نشان داد با ایجاد شیارهایی تقریبا منظم و با عمق مناسب و همچنین قطر اپتیمم میتوان علاوه بر I/C بیشتر، نفوذپذیری و احیای اکسیژن بهتری نیز داشته باشیم. این مهم توسط آنالیزهای مختلفی انجام شد، یکی این که از روش حدی جریان و امپدانس اسپکتروسکوپی استفاده شد و نشان داده شد که هنگامی که سطح شیاردار میشود با موقعی که بدون شیار است I/C نسبتا تاثیر بسزایی در انتقال مولکول ها دارد. همچنین همین روش امپدانس در محیط دیگری برای اندازه گیری فشار گاز اکسیژن در محیط هلوکس (79% هلیوم، 21% اکسیژن) انجام شد و تایید شد که I/C = 1/2 برای شیاردار و I/C = 0/9 برای سطح صاف انتقال اکسیژن بهتری داشتند و مقاومت انتقال کمتر شده بود ولی فشار گاز باقیمانده نشان از فشار-مستقل بودن حالت شیاردار داشت. آیا شیاردار کردن میکروسکوپی سطح الکترود میتواند واکنش احیای اکسیژن را نیز بصورت یکنواخت و با آهنگ ثابتی ارتقا دهد؟ حقیقتا از آنجا که بررسی این اثر با روش¬های آزمایشگاهی بسیار پیچیده و عملا امکانپذیر نیست، برای آن از مجموعه شبیه¬سازی هایی استفاده شد تا بتوان به درستی و سادگی این واکنش را مشخص کرد. در این آزمایشات شبیه سازی شده مشخص شد که در I/C =0/9 کلا شیاردار شدن تاثیر آنچنانی ندارد و اینرا برخی مقالات چاپ شده نیز تایید میکردند. اما I/C = 1/2 و I/C = 1/5 در حالت شیاردار تاثیر بهتری بخاطر انتقال بهتر یون هیدروژن و اکسیژن از خود به نمایش گزاردند. در تست خوردگی و مقاومت الکترود، که توسط آزمایش استاندارد accelerated stress test (AST) که شامل 500 چرخه اعمال الکتریسیته در دامنه 1 تا 5/1 ولت در محیط گازی هیدروژن و نیتروژن بود، الکترود شیاردار نسبت به الکترود صاف خوردگی کمتری از خود به نمایش گزارد ولی هر دو درجه¬ای از خوردگی نشان دادند.

دلیل این تست بخاطر این بود که خوردگی کربن میتواند باعث جمع شد سطح الکترود شده و باعث شود این الکترود شیارهایش را به مرور از دست داده و بنابراین تخلخل آن کم شده که به تبع آن مقاومت انتقال هیدروژن و اکسیژن بالا میرود که میتواند به شدت بر روی اثرگزاری الکترودهای مخصوصا صاف اثر شدیدی بگذارد. همچون بسیاری از آزمایشات امروزی، در این مقاله نیز از یادگیری ماشین برای ادامه تحقیقات در ابعادی که آزمایشات زیاد حقیقی زمانبر و گران هستند استفاده شد و پارامترهای دیگری مثل بهینه کردن عمق و اندازه شیارها نیز بدست آمد. بطور مثال عمق بیشتر شیارها میتواند 60% بر روی قدرت انتقال و واکنش گاز اثر بگذارد و همچنین افزایش تخلخل میتواند بر روی خواص مکانیکی صفحه اثر گزارده و آنرا مثلا نرمتر کند و مقاومت آن کم شود و یا روی خود فروبپاشد. این الکترودها توسط فناوری پلاسما و الگو زنی تابش UV آماده و توسط روش های الکتروشیمایی امپدانس در محیط های مختلف و تست خوردگی AST و میکروسکوپ الکترونی عبوری و پراش انرژی تابش اکس شناسایی شد.