برترین کاربران هفتگی این مقاله

از ۱۳۹۷/۰۵/۲۷ تا ۱۳۹۷/۰۶/۰۲

هیچ کاربری در این بازه زمانی وجود ندارد

آمار مقاله
  • بازدید کل ۲,۰۰۰
  • بازدید این ماه ۴۸
  • بازدید امروز ۱
آمار آزمون مقاله
  • کل شرکت کنندگان ۰
  • قبول شدگان ۰
  • شرکت کنندگان یکتا ۰
  • میانگین درصد شرکت کنندگان ۰
واژه نامه فناوری نانو

نانو

nano

پيشوندي به معناي يک بيليونم يا (000،000،000،1/1). در متون فناوري‌نانو، معمولا براي مشخص کردن يک واحد اندازه‌گيري برابر با 10 به توان منفي 9 متر استفاده مي‌شود.

سطح مقاله

ویژه المپیاد دانش‌آموزی

طرح درس

منابع پیشنهادی نهمین المپیاد دانش آموزی نانو

نویسندگان
امتیاز کاربران

راهکارهای فناوری نانو برای صنعت پیل سوختی

مقدمه

پیل سوختی وسیله‌ای است که انرژی شیمیایی را مستقیما به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کند. گاز هیدروژن به دلیل تمایل واکنش‌دهندگی بالا، فراوانی و عدم آلایندگی محیط زیست، به عنوان سوخت ایده‌آل در پیل سوختی مورد استفاده قرار می‌گیرد. 

از این پیل‌ها می‌توان در زمینه‌های مختلفی برای تولید انرژی استفاده کرد که معمول‌ترین آنها خودروهای سواری، وسایط نقلیه عمومی، نیروگاه‌ها، وسایل الکتریکی قابل حمل مانند تلفن‌های همراه و رایانه‌های شخصی و صنایع نظامی است. 

پیل‌های سوختی دارای مزایای قابل توجهی چون بازدهی بالا، سازگاری با محیط زیست، عدم آلودگی صوتی، هزینه نصب کم و راه‌اندازی آسان هستند اما وجود معایبی مانند هزینه ساخت بالا به سبب استفاده از مواد گران قیمت و عدم وجود خطوط تولید انبوه، استفاده آنها را محدود نموده است.

گسترش روز افزون فناوری نانو و ورود آن به زمینه‌های مختلف از جمله انرژی سبب ایجاد تحول عظیمی در این حوزه شده است. در همین راستا فناوری نانو به کمک صنعت پیل‌های سوختی آمده و راه‌حل‌هایی برای مشکلات موجود ارائه می‌کند.
1- ذخیره‌سازی هیدروژن:

هیدروژن گازی است که قابلیت اشتعال و انفجار زیادی دارد و ذخیره کردن آن داخل یک مخزن می‌تواند خطرات زیادی را به همراه داشته باشد. بنابراین باید به دنبال روش‌هایی برای ذخیره‌سازی بی‌خطر آن بود. یکی از این روش‌ها ذخیره‌سازی سوخت‌های غیر از هیدروژن و تبدیل آنها به هیدروژن در موقع نیاز است. برای این کار می‌توان از یک مبدل برای تبدیل سوخت‌هایی مانند متانول (که مشکل ذخیره‌سازی ندارند) به هیدروژن استفاده کرد. محققان همچنین پیشنهاد کرده‌اند که برای ذخیره‌سازی هیدروژن می‌توان از نانوساختارهایی نظیر نانولوله‌های کربنی (CNT) و ساختارهای زئولیتی به خاطر سبک بودن، بی‌خطر بودن و سطح فعال زیاد استفاده کرد.

زئولیت:

زئولیت‌ها، بلورهای سه‌بعدی هستند که معمولاً از جنس آلومینیوم سیلیکات می‌باشند. زئولیت‌های آلومینیوم سیلیکات همگی دارای ساختار شبکه‌ای چهاروجهی هستند و پیوندهای منظمSi-O تولید می‌کنند. زئولیت‌های آلومینیوم سیلیکات به دلیل قدرت بالای پیوندهای Si-O که یکی از قوی‌ترین پیوندهای شناخته شده نیز هستند، پایداری حرارتی، گرمایی و شیمیایی (به جز در برابر اسیدهای قوی) بسیار زیادی دارند. همچنین تخلخل دائمی آنها یکی از ویژگی‌های مشخص زئولیت‌ها است.

filereader.php?p1=main_c4ca4238a0b923820
شکل 1: نمونه‌ای از یک ساختار زئولیتی

2- گران بودن کاتالیست:

استفاده از پلاتین (Pt) به عنوان کاتالیست در پیل‌های سوختی محدودیت‌هایی را به همراه دارد. این محدودیت‌ها شامل موارد زیر می‌شود:

1. قیمت گران Pt
2. تعداد کم مولکول‌های Pt در سطح که باعث کم بودن تعداد سایت های فعال کاتالیست می‌شود.

استفاده از نانوذرات Pt روی یک بستر رسانا راه کار بسیار مناسبی است. با پخش کردن نانوذرات Pt روی بستر اندازه ذرات به حدود 2 نانومتر کاهش می‌یابند. بنابراین، سطح تماس و سطح فعال آنها افزایش یافته و مقدار Pt کم‌تری مصرف می‌شود و در نتیجه قیمت کاهش می‌یابد. بررسی‌های محققان نشان داده است که استفاده از CNT به عنوان بستر کارایی بالایی دارند که این امر به خاطر نانومتخلخل بودن و سطح زیاد آنها است. تحقیقات نشان داده است استفاده از CNT تک جداره 30 درصد خروجی توان بیش‌تری را ایجاد می‌کند. همچنین استفاده از نانولوله‌های کربنی به خاطر نسبت طول به عرض بالا، مقاومت زیاد در برابر خوردگی و هدایت الکتریکی بالا است.

filereader.php?p1=main_c81e728d9d4c2f636
شکل 2: نمایی از ساختار CNT

3- مسمومیت کاتالیست

یکی از ضعف‌های اصلی پیل‌های سوختی متانولی (DMFC‌ها) احتمال حل شدن متانول در الکترولیت است. این اتفاق باعث حرکت متانول به سمت کاتد شده و در آنجا به خاطر وجود اکسیژن اکسایش می‌یابد که این امر سبب کاهش جریان می‌شود، زیرا الکترون‌های متانول به جای عبور از سیم از داخل الکترولیت عبور می‌کنند. همان طور که در شکل 3 و 4 مشاهده می‌شود با افزایش دما و غلظت متانول میزان عبور متانول از الکترولیت افزایش می‌یابد. در پی سوختن متانول در کاتد، مونوکسید کربن به عنوان محصول جانبی تولید شده و روی کاتالیست می‌نشیند و با کاهش سطح فعال کاتالیست آن را مسموم می‌کند. برای حذف این مسمومیت‌ها تحقیقات زیادی انجام شده است. محققان از نانوذرات اکسید باریوم استفاده کرده و آنها را به صورت جزیره‌ای روی سطح الکترود قرار داده‌اند. در این حالت فضای کافی برای واکنش اصلی وجود دارد و واکنش‌های اکسایش- کاهش برای حذف رسوبات کربنی توسط باریوم اکسید انجام می‌شود. بنابراین، این کار اجازه می‌دهد از سوخت‌هایی نظیر گاز زغال سنگ و بیومس نیز استفاده شود.

filereader.php?p1=main_eccbc87e4b5ce2fe2
شکل 3: مقایسه عبور متانول از الکترولیت برای دماهای متفاوت

filereader.php?p1=main_a87ff679a2f3e71d9
شکل 4: نمودار عبور متانول از الکترولیت برای غلظت های متانول متفاوت

4- CNT به عنوان کاتالیست

نانولوله‌های کربنی اصلاح شده می‌توانند به طور مستقیم به عنوان کاتالیست در پیل سوختی استفاده شوند. با اضافه کردن ناخالصی‌های نیتروژن به CNT و یا با غوطه‌ورسازی آنها در پلیمر می‌توان خواص الکترونی CNTها را اصلاح کرده و آنها را برای استفاده به عنوان کاتالیست آماده کرد. طبق گفته محققان کاتالیست‌های ساخته شده از نانولوله‌های کربنی غوطه‌ور شده در یک محلول پلیمری، از نظر کارکرد انرژی در پیل‌های سوختی، با کاتالیست‌های Pt برابری می کند، در حالیکه ارزان‌تر هستند. غوطه‌ور سازی ساده نانولوله‌های کربنی در یک محلول آبی از پلیمر دی‌آمین دی‌متیل آمونیوم کلراید برای حدود 2 ساعت، باعث ایجاد روکش پلیمری روی سطح نانوذره می‌شود. این روکش از هر اتم کربن یک الکترون را به صورت جزئی به بیرون می‌کشد و یک بار مثبت خالص ایجاد می‌کند (شکل 5). محققان این نانولوله‌های کربنی را روی کاتد یک پیل سوختی قلیایی قرار دادند. در این حالت این ماده باردار شده به عنوان یک کاتالیست برای واکنش اکسیداسیون احیا عمل می‌کند. آزمایش‌ها نشان دادند توان تولیدی این پیل سوختی آزمایشی معادل توان تولیدی پیلی است که از کاتالیست Pt استفاده می‌کند. برخلاف Pt این کاتالیست فعالیت خود را از دست نمی‌دهد. بنابراین راندمان طی گذر زمان در نتیجه مسمومیت با CO کاهش نمی‌یابد و از اثرات قرارگیری در معرض متانول مصون است.

filereader.php?p1=main_e4da3b7fbbce2345d
شکل 5: شماتیکی از فرایند انتقال بار و واکنش اکسیداسون-احیا روی این کاتالیست جدید

منابـــع و مراجــــع

http://www.nano.ir/

http://americanhistory.si.edu/fuelcells/basics.htm

مقدمه ای بر پیل سوختی بر پایه نانوالیاف کربن و کاربرد آن در صنایع نوین احسان زاهدی، آرش تیموری راد، احسان دهنوی. قرارگاه پدافند هوایی خاتم الانبیاء (ص) آجا