محققان دانشگاه صنعتی امیرکبیر موفق شدند با طراحی غشای تبادل پروتون به عنوان قلب پیل سوختی با فناوری نانو، عملکرد انتقال پروتون در این غشا را بهبود دهند که نقش بسزایی در افزایش بازدهی انرژی پیل سوختی دارد.
به گزارش 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 سازه های نانولیفی آرایش یافته SPEEK (پلی اتراترکتون سولفونه شده) با قابلیت کاربرد در پیل سوختی» اظهار کرد: انرژی و محیط زیست، یکی از مشکلات پیش روی جامعه بشری در قرن 21 است.
وی افزود: طبق اطلاعات منتشر شده توسط آژانس بین اللملی انرژی در سال 2011 میلادی، تقاضای جهانی برای انرژی، افزایش چشمگیر 40 درصدی بین سال های 2009 تا 2035 میلادی خواهد داشت که در این بین سوخت های فسیلی (زغال سنگ، گاز طبیعی و نفت خام) منابع اولیه تامین انرژی به شمار می روند.
وی با بیان اینکه این منابع محدوده بوده و باز تولید آنها میلیون ها 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 سوخت های فسیلی نه تنها آلاینده های هوا از قبیل اکسید گوگرد و فلزات سنگین تولید می کند بلکه گازهای گلخانه ای 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 می رود که تا زمان تغذیه شدن توسط سوخت، انرژی شیمیایی را به صورت پیوسته به انرژی الکتریکی و مقداری حرارت تبدیل می کند؛ خروجی این وسیله الکتروشیمیایی طی فرآیند تبدیل انرژی، آب است که آنرا تبدیل به یه یک فناوری دوستدار محیط زیست کرده است.
وی با بیان اینکه یکی از اجزای مهم در هر پیل سوختی، غشای تبادل پروتون است که به عنوان قلب پیل شناخته می شود، گفت: غشای تبادل پروتون، به عنوان بستری برای هدایت پروتون (یون های H+) و جداکننده واکنش گرها درون پیل عمل می کند که بهبود عملکرد آن نقش بسزایی در افزایش بازدهی انرژی پیل سوختی دارد.
وی افزود: ازاین‌رو، در پژوهش حاضر با مهندسی ساختار غشاهای تبادل پروتون بر پایه نانولیف هادی 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 سه بعدی 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 آنجائیکه راستای عبور یون از میان غشا در پیل سوختی (راستای ضخامت غشا) اهمیت بسزایی در هدایت پروتونی دارد، غشاهای کامپوزیت نانولیفی با نانوالیاف هادی 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 بدست آمده از نمونه های آزمایشگاهی و مدل های ارائه شده در این مطالعه، به خوبی اثر مثبت آرایش یافتگی موازی نانوالیاف هادی پروتون درون ساختار سه بعدی غشا را بر روی بهبود هدایت پروتونی نشان داد.
وی با اشاره به یکی از نتایج طرح افزود: افزایش میزان موازی شدن نانوالیاف درون ساختار سه بعدی، 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 نانوالیاف هادی پروتون SPEEK در راستای ضخامت یا عبور می تواند منجر به بهبود قابل ملاحظه 8/1-7/0 برابری هدایت پروتونی نسبت به نمونه های 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 جنبه های 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 بدست آمد و غشای کامپوزیت نانولیفی جدید طی چند مرحله مختلف تهیه شد.
وی عنوان کرد: در ساخت این غشا از نانوالیاف هادی پروتون SPEEK، ماده محافظتی و پرکننده لایه نانولیفی و ماده اتصال دهنده لایه های 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 اینست که در آن نانوالیاف از آرایش یافتگی در راستای ضخامت غشا برخورداند در صورتیکه در سایر غشاها، نانوالیاف در صفحه غشا آرایش پیدا کرده اند.
وی گفت: روابط ارائه شده در این پژوهش برای پیش بینی هدایت پروتونی بر مبنای مدل شبکه لیفی و مکانیک تماسی می تواند به ارتقای مرزهای دانش در حوزه غشاهای تبادل پروتون نانولیفی کمک کرده و جوابگوی سوالات پیش روی برای رفتار انتقال پروتون در سازه نانولیفی هادی 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 زمانیکه در راستای ضخامت غشا قرار می گیرند، 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 می رود.
به گفته این محقق، علاوه بر این، نانوالیاف الکتروریسی شده رطوبت محتوی بیشتر، جدایی فاز بهتر و بخش های نیمه بلوری کمتری درون ریزساختار خود نسبت به نمونه فیلم مانند دارند که یک مزیت مهم از منظر تسهیل انتقال پروتون می باشد.
وی تاکید کرد: نتایج حاصله از این پژوهش را می توان در ارائه روشی برای بهبود هدایت پروتونی غشای تبادل پروتون مورد استفاده در پیل سوختی که یکی از وسیله های 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 می دهد.
وی با اشاره به معرفی ویژگی های 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 پیش بینی هدایت پروتونی سازه نانولیفی و همخوانی مناسب آن با نتایج آزمایشگاهی، قابل مقایسه بودن هدایت پروتونی غشای تبادل پروتون نانولیفی بدست آمده در این پژوهش با غشای تجاری نفیون ویژگی های این طرح محسوب می شود.
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 مزیت های رقابتی طرح اظهارداشت: ارائه ریزساختار مناسب برای انتقال پروتون (جدایی فاز بهتر و بخش های نیمه بلوری کمتر نانوالیاف الکتروریسی شده SPEEK نسبت به نمونه متداول فیلمSPEEK )، بهبود هدایت پروتونی با کنترل نحوه آرایش نانوالیاف درون ساختار سه بعدی غشا از مزیت های این طرح به شمار می رود.
وی با اشاره به کاربردهای پروژه گفت: از نتایج این رساله دکتری می توان 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 بخش های پژوهش در حال آماده سازی است.