تولید الکتروکاتالیست بر پایه چارچوب های فلزی-آلی با روشی ارزان و طول عمر بالا

الکتروکاتالیست بر پایه چارچوب های فلزی-آلی با روش ارزان و با طول عمر بالا، توسط محققان دانشگاه صنعتی امیرکبیر تولید شد.

به گزارش خبرگزاری علم و فناوری ساینس بلاگ، محققان دانشگاه صنعتی امیرکبیر در قالب رساله دکتری، راهکاری جدید برای ساخت چارچوب های فلزی – آلی به عنوان الکتروکاتالیست تولید هیدروژن ارایه کردند.

حامد شوشتری از محققان این طرح، با بیان اینکه این مطالعات در قالب رساله دکتری با عنوان «سنتز نانوساختار نیکل- آنتیموان اصلاح شده با چارچوب فلزی – آلی به عنوان الکتروکاتالیست تولید هیدروژن» اجرایی شده است، گفت: افزایش تقاضا برای انرژی، کاهش سوخت های فسیلی و آلودگی محیط زیست به دلیل استفاده گسترده از سوخت های فسیلی باعث شده است که توجه بیشتری به استفاده از انرژی های تجدیدپذیر معطوف شود.

شوشتری درباره اهمیت انجام این طرح پژوهشی گفت: بحث درباره انرژی های تجدیدپذیر سال هاست که در جهان و ایران رونق گرفته، اما سهم ایران برای استفاده از این انرژی های تجدیدپذیر و بی پایان بسیار ناچیز است. این درحالی است که ظرفیت حقیقی ایران برای تولید انرژی تجدیدپذیر به واسطه بافت و موقعیت جغرافیایی آن بسیار بالاست.

وی ادامه داد: اخیراً، در میان تمام انرژی های تجدیدپذیر، انرژی هیدروژن به دلیل داشتن مزایایی مانند ظرفیت انرژی ویژه بالا، قابلیت ذخیره سازی، فراوانی و سازگاری با محیط زیست در کانون توجه قرار گرفته است؛ چرا که سوخت هیدروژن فرصتی را فراهم می کند که بتوان با استفاده از انواع مختلف مواد اولیه، انرژی با قابلیت بهره وری بالا برای جبران کمبود انرژی تولید کرد.

شوشتری، تجزیه الکتروشیمیایی آب را موثرترین روش تولید هیدروژن دانست و یادآور شد: فرآیند تجزیه الکتروشیمیایی آب ایده آل ترین و پاک ترین روش به لحاظ زیست محیطی برای تولید هیدروژن تلقی می شود. این روش که یک فرآیند تبدیل انرژی الکتریکی به انرژی شیمیایی است، از طریق الکتروکاتالیست ها صورت می گیرد.

این محقق با تاکید بر اینکه بدون الکتروکاتالیست ها، واکنش موثری در فرآیند تجزیه الکتروشیمیایی آب اتفاق نمی افتد، ادامه داد: معمولاً از مواد بر پایه پلاتین، ایریدوم یا روتنیوم به عنوان الکتروکاتالیست در تولید هیدروژن استفاده می شود اما، قیمت بالا و منابع محدود مانع استفاده گسترده از این مواد شده است. از این رو، ضروری است که مواد جدیدی به عنوان الکتروکاتالیست ساخته و معرفی شود.

وی اضافه کرد: هدف اصلی در این تحقیق، دستیابی به دانش فنی تولید الکتروکاتالیست هایی با کارآیی و عمر بالا با استفاده از روش سنتز ساده و مقرون به صرفه، مواد ارزان قیمت و با منابع دسترسی فراوان بوده است.

شوشتری با بیان اینکه در این طرح پژوهشی، از چارچوب های فلزی-آلی (MOFs) برای ایجاد یک ساختار ناهمگون با فصل مشترک های فازی جفت شده با نانوساختار نیکل–آنتیموان استفاده شد، یادآور شد: چارچوب های فلزی-آلی به عنوان یک کلاس در حال ظهور از مواد کریستالی با ساختار های سه بعدی و سلسله مراتبی هستند که به دلیل داشتن بسیاری از ویژگی های برجسته مانند ساختار متخلخل، مساحت سطح فعال الکتروشیمیایی بسیار بالا و سهولت ترکیب با دیگر مواد به صورت مستقیم یا پیش ماده برای ساخت الکتروکاتالیست ها مورد استفاده قرار می گیرند.

وی انتخاب یک چارچوب فلزی – آلی مناسب برای یک کاربرد خاص را یک چالش اساسی در این تحقیق عنوان کرد و گفت: ما در این تحقیق، از چارچوب های بر پایۀ دو فلز نیکل و کبالت استفاده کردیم و توانستیم یک الکتروکاتالیست دوکاره (هم به عنوان آند و هم به عنوان کاتد) تحت عنوان NiCo-MOF@NiSb با فعالیت الکتروشیمیایی بالا و پایداری طولانی مدت در محیط قلیایی سنتز کنیم.

دانش آموخته دانشگاه صنعتی امیرکبیر افزود: در بیشتر مطالعات، برای ساخت چارچوب های فلزی – آلی از روش پیرولیز در دمای بالا یا هیدروترمال که نیاز به دما، فشار و زمان زیادی دارند، استفاده شده است. همچنین، در بسیاری از روش های تولید کاتالیست، مواد به دست آمده به صورت پودری شکل هستند که برای قرار دادن آنها روی سطح الکترود نیاز به فرآیند های اضافه تری است که در اغلب آنها از چسب های پلیمری و افزودنی های رسانا استفاده می شود.

شوشتری اضافه کرد: این امر موجب کاهش مساحت فعال سطحی و متعاقب آن کاهش فعالیت و پایداری الکتروکاتالیستی می شود. برای این منظور، استفاده از روش رسوب دهی الکتروشیمیایی به عنوان یک روش مستقیم و تک مرحله ای می تواند کارآمد باشد.

وی افزود: با استفاده از روش رسوب دهی الکتروشیمیایی، چهار هدف عمده را دنبال کردیم که شامل  مواردی از جمله قراردادن پوشش بر سطح زیرلایه بدون استفاده از چسب های پلیمری (عدم استفاده از چسب باعث شد که فعالیت الکتروکاتالیستی ذاتی الکترود دست خوش تغییر نشود.)، کنترل پذیری فوق العاده خوب در ترکیب شیمیایی (مراکز دو فلزی در چارچوب با بیشترین توزیع و یکنواختی ایجاد شد)، صرفه جویی در زمان و دمای سنتز (زمان سنتز از 24 ساعت به 15 دقیقه و دمای سنتز از دما های بالای 120 درجه سلسیوس به دمای محیط کاهش پیدا کرد) و کاهش هزینه های ساخت (چون از تجهیزات و امکانات اضافی استفاده نشد، هزینه های سنتز بسیار تقلیل یافت) می شود.

این محقق دانشگاه صنعتی امیرکبیر تاکید کرد: تاکنون چارچوب فلزی-آلی بر پایه نیکل و کبالت که به صورت لایه نازک و با پایداری عالی توسط روش رسوب دهی الکتروشیمیایی در مدت زمان و دمای سنتز کم تولید شود و در عین حال، بتواند خواص الکتروکاتالیستی خوبی برای تولید همزمان هیدروژن و اکسیژن فراهم کند، گزارش نشده است.

شوشتری با اشاره به کاربرد های یافته این مطالعات اضافه کرد: نتایج این طرح پژوهشی می تواند برای محققان و صنعتگران فعال در زمینه تولید کاتالیست بسیار مفید و کاربردی باشد.

وی در همین راستا افزود: با توجه به عملکرد و راندمان تبدیل انرژی بالایی که این نوع الکتروکاتالیست ها فراهم می کنند، می توان از آن ها علاوه بر تولید هیدروژن، در جذب و احیای دی اکسیدکربن حاصل از گاز های خروجی نیروگاه ها و کارخانه ها، در سیستم های تصفیه آب و پساب و همچنین سم زدایی از فاضلاب های شهری و آزمایشگاهی استفاده کرد.

این محقق دانشگاه صنعتی امیرکبیر ادامه داد: در این طرح پژوهشی، از نانوساختار نیکل-آنتیموان برای اولین بار به عنوان الکتروکاتالیست تولید هیدروژن استفاده شد، چارچوب فلزی- آلی بر پایۀ دو عنصر نیکل و کبالت به صورت لایه نازک با کمترین زمان و معقول ترین هزینه توسط روش رسوب دهی الکتروشیمیایی سنتز شد.

وی افزود: همچنین، به منظور درک رفتار الکتروشیمیایی و ترمودینامیکی این الکتروکاتالیست ها، مدل سازی تیوری بر پایۀ DFT انجام گرفت. بر اساس این نوآوری هایی که وجود داشت، شش مقاله ISI از طرح پژوهشی حاضر در ژورنال های بسیار معتبر با ضریب تاثیر بالا منتشر شده است.