الکتروکاتالیست بر پایه چارچوب‌های فلزی تولید شد

به گزارش خبرگزاری مهر به نقل از دانشگاه صنعتی امیرکبیر 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 به‌عنوان الکتروکاتالیست تولید هیدروژن” اجرایی شده است، گفت: افزایش تقاضا برای انرژی، کاهش سوخت‌های فسیلی و آلودگی محیط زیست به دلیل استفاده گسترده از سوخت‌های فسیلی باعث شده است که توجه بیشتری به استفاده از انرژی‌های تجدیدپذیر معطوف شود. بحث درباره انرژی‌های تجدیدپذیر سال‌هاست که در جهان و ایران رونق گرفته، اما سهم ایران برای استفاده از این انرژی‌های تجدیدپذیر و بی‌پایان 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 انرژی‌های تجدیدپذیر، انرژی هیدروژن به دلیل داشتن مزایایی مانند ظرفیت انرژی ویژه بالا، قابلیت ذخیره‌سازی، فراوانی و سازگاری با محیط زیست در کانون توجه قرار گرفته است؛ چرا که سوخت هیدروژن فرصتی را فراهم می‌کند که بتوان با استفاده از انواع مختلف مواد اولیه، انرژی با قابلیت بهره‌وری بالا برای جبران کمبود انرژی تولید کرد.

شوشتری، تجزیه الکتروشیمیایی آب را مؤثرترین روش‌ تولید هیدروژن دانست و یادآور شد: فرآیند تجزیه الکتروشیمیایی آب ایده‌آل‌ترین و پاک‌ترین روش‌ به‌لحاظ زیست محیطی برای تولید هیدروژن تلقی می‌شود. این روش که یک فرآیند تبدیل انرژی الکتریکی به انرژی شیمیایی است، از طریق الکتروکاتالیست‌ها صورت می‌گیرد.

این محقق با تاکید بر اینکه بدون الکتروکاتالیست‌ها، واکنش مؤثری در فرآیند تجزیه الکتروشیمیایی آب اتفاق نمی‌افتد، اظهار کرد: معمولاً از مواد بر پایه پلاتین، ایریدوم یا روتنیوم به ‌عنوان الکتروکاتالیست در تولید هیدروژن استفاده می‌شود اما، قیمت بالا و منابع محدود مانع استفاده گسترده از این مواد شده است. از این رو، ضروری است که مواد جدیدی به‌عنوان الکتروکاتالیست ساخته و معرفی شود.

وی خاطر نشان کرد: هدف اصلی در این تحقیق، دستیابی به دانش فنی تولید الکتروکاتالیست‌هایی 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 چارچوب‌های فلزی-آلی (MOFs) برای ایجاد یک ساختار ناهمگون با فصل‌مشترک‌های فازی جفت شده با نانوساختار نیکل–آنتیموان استفاده شد، یادآور شد: چارچوب‌های فلزی-آلی به‌عنوان یک کلاس در حال ظهور از مواد کریستالی با ساختارهای سه‌بعدی و سلسله ‌مراتبی هستند که به دلیل داشتن بسیاری از ویژگی‌های برجسته مانند ساختار متخلخل، مساحت سطح فعال الکتروشیمیایی بسیار بالا و سهولت ترکیب با دیگر مواد به‌صورت مستقیم یا پیش ماده برای ساخت الکتروکاتالیست‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرند.

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 چارچوب‌های بر پایۀ دو فلز نیکل و کبالت استفاده کردیم و توانستیم یک الکتروکاتالیست دوکاره (هم به‌عنوان آند و هم به‌عنوان کاتد) تحت عنوان NiCo-MOFNiSb با فعالیت الکتروشیمیایی بالا و پایداری طولانی مدت در محیط قلیایی سنتز کنیم.

به گفته این دانش آموخته دانشگاه صنعتی امیرکبیر در بیشتر مطالعات، برای ساخت چارچوب‌های 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 روش‌های تولید کاتالیست، مواد به‌دست آمده به‌صورت پودری شکل هستند که برای قرار دادن آنها روی سطح الکترود نیاز به فرآیندهای اضافه‌تری است که در اغلب آنها از چسب‌های پلیمری و افزودنی‌های رسانا استفاده می‌شود.

شوشتری اضافه کرد: این امر موجب کاهش مساحت فعال سطحی و متعاقب آن کاهش فعالیت و پایداری الکتروکاتالیستی می‌شود. برای این منظور، استفاده از روش رسوب‌دهی الکتروشیمیایی به‌عنوان یک روش مستقیم و تک مرحله‌ای می‌تواند کارآمد باشد.

به گفته وی، این محققان با استفاده از روش رسوب‌دهی الکتروشیمیایی، چهار هدف عمده را دنبال کردند که شامل این موارد می‌شود:
قرار دادن پوشش بر سطح زیرلایه بدون استفاده از چسب‌های پلیمری (عدم استفاده از چسب باعث شد که فعالیت الکتروکاتالیستی ذاتی الکترود دست خوش تغییر ‌نشود.)
کنترل‌پذیری فوق‌العاده خوب در ترکیب شیمیایی (مراکز دو فلزی در چارچوب با بیشترین توزیع و یکنواختی ایجاد شد).
صرفه‌جویی در زمان و دمای سنتز (زمان سنتز از ۲۴ ساعت به ۱۵ دقیقه و دمای سنتز از دماهای بالای ۱۲۰ درجه سلسیوس به دمای محیط کاهش پیدا کرد).
کاهش هزینه‌های ساخت (چون از تجهیزات و امکانات اضافی استفاده نشد، هزینه‌های سنتز بسیار تقلیل یافت).

شوشتری تاکید کرد: تاکنون چارچوب فلزی-آلی بر پایه نیکل و کبالت که به‌صورت لایه نازک و با پایداری عالی توسط روش رسوب‌دهی 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.

این دانش آموخته دانشگاه صنعتی امیرکبیر با اشاره به کاربردهای یافته این مطالعات اظهار کرد: نتایج این طرح پژوهشی می‌تواند برای محققان و صنعتگران فعال در زمینه تولید کاتالیست‌ بسیار مفید و کاربردی باشد. با توجه به عملکرد و راندمان تبدیل انرژی بالایی که این نوع الکتروکاتالیست‌ها فراهم می‌کنند، می‌توان از آنها علاوه بر تولید هیدروژن، در جذب و احیای دی‌اکسیدکربن حاصل از گازهای خروجی نیروگاه‌ها و کارخانه‌ها، در سیستم‌های تصفیه آب و پساب و همچنین سم‌زدایی از فاضلاب‌های شهری و آزمایشگاهی استفاده کرد.

به گفته این محقق در این طرح پژوهشی، از نانوساختار نیکل-آنتیموان برای اولین بار به‌عنوان الکتروکاتالیست تولید هیدروژن استفاده شد، چارچوب فلزی- آلی بر پایۀ دو عنصر نیکل و کبالت به‌صورت لایه نازک با کمترین زمان و معقول‌ترین هزینه توسط روش رسوب‌دهی الکتروشیمیایی سنتز شد و همچنین، به‌منظور درک رفتار الکتروشیمیایی و ترمودینامیکی این الکتروکاتالیست‌ها، مدل‌سازی تئوری بر پایۀ DFT انجام گرفت. بر اساس این نوآوری‌هایی که وجود داشت، شش مقاله ISI از طرح پژوهشی حاضر در ژورنال‌های بسیار معتبر با ضریب تأثیر بالا منتشر شده است.

این طرح در قالب رساله دکتری حامد شوشتری با راهنمایی دکتر میلاد رضائی (دانشیار دانشکده مهندسی مواد و متالورژی دانشگاه صنعتی امیرکبیر) در دانشگاه امیرکبیر اجرایی شده است.