بهره‌گیری از گرافن اکساید در تولید پیل‌های سوختی توسط محققان کشور
میزان مصرف جهانی انرژی الکتریکی در قرن اخیر به‌شدت افزایش یافته و پیش‌بینی می‌شود که این افزایش در سال‌های آینده با سرعت بسیار بیشتری ادامه یابد.
تأمین انرژی الکتریکی مستلزم استفاده از منابع انرژی فسیلی و تبدیل ماهیت آن‌ها در نیروگاه‌های عظیم حرارتی است. اما این منابع محدود در ۱۵۰ سال آینده به اتمام خواهند رسید. به علاوه، فرآوری سوخت‌های فسیلی به دلیل تولید گازهای گلخانه‌ای، تهدیدی جدی برای محیط‌زیست و سلامتی انسان به شمار می‌رود.
اخیراً، استفاده از پیل‌های سوختی متانول مستقیم (DMFC)، به دلایلی از جمله بازده تبدیل انرژی بالا و عدم ایجاد آلودگی‌های محیطی و صوتی، به‌عنوان روشی کارآمد برای تولید انرژی الکتریکی پیشنهاد شده است.
علیرضا شریف، مجری طرح گفت: در حال حاضر غشای تجاری نافیون به‌عنوان رایج‌ترین غشای تبادل پروتون در پیل‌های سوختی مورد استفاده قرار می‌گیرد. اما گرانی نافیون و شدت بالای تراوش متانول از آن، مانع از تجاری شدن فناوری DMFC شده است.
به گفته وی، لذا در این تحقیق از یک پلیمر طبیعی و ارزان‌قیمت به‌عنوان فاز زمینه و از اکسید گرافن جهت بهبود خواص فیزیکی و شیمیایی آن جهت سنتز یک غشای دارای رسانایی الکتریکی استفاده شد.
وی گفت: با به‌کارگیری نتایج این تحقیق، علاوه بر حفظ و یا حتی ارتقای کیفیت تبادل پروتون در سامانه‌های پیل سوختی فعلی، قیمت نهایی آن‌ها کاهش یافته و توسعه‌ی تجاری و صنعتی فناوری DMFC تسهیل می شود.
شریف افزود: اهمیت استفاده از نانوذرات در این تحقیق از دو جنبه قابل بررسی است. به لحاظ تأثیرات معمول و عمومی، نانوذرات گرافن اکسید موجب افزایش پایداری حرارتی و استحکام مکانیکی غشاهای کیتوسانی شدند. از جنبه اثرگذاری بر ویژگی‌های خاص غشاهای تبادل پروتون نیز، نانوذرات اصلاح شده با ایجاد مجراهای پیوسته ناشی از برهمکنش‌های اسیدی- بازی بین گروه‌های سولفونیک اسید و آمید، توسعه مکان‌های با مقاومت اندک در برابر پرش پروتون را تسهیل کرده اند.
وی با بیان اینکه بدین ترتیب ظرفیت تبادل یونی، هدایت پروتونی و گزینش پذیری غشای کیتوسانی را بهبود بخشیدند، اظهار داشت: در این طرح، ایده‌ی استفاده‌ی همزمان از نانوذرات گرافن اکسید سولفونه شده و کیتوسان سولفاته در بستر کیتوسان اولیه، به‌منظور بهبود هدایت پروتونی غشای کیتوسانی اولیه مطرح شده است. بنابراین، ابتدا نانوذرات گرافن اکسید از پودر گرافیت تهیه شده و سپس سولفونه شده‌اند. همچنین کیتوسان نیز سولفاته شده است.
این محقق افزود: در مرحله‌ی بعد، غشاهای نانوکامپوزیتی، از طریق پخش کردن درصدهای مختلف گرافن اکسید سولفونه شده در بستر مخلوط کیتوسان اولیه و کیتوسان سولفاته سنتز شده‌اند. به‌منظور ارزیابی و بررسی خواص مختلف این غشای نانوکامپوزیتی از آزمون‌های XRD، AFM و FT-IR و همچنین روش‌های TGA، الکتروشیمیایی و IEC استفاده شده است.
وی خاطر نشان کرد: نتایج حاکی از آن است که استفاده از نانوذرات اصلاح‌شده به افزایش حدود هفت برابری در گزینش پذیری غشاهای نانوکامپوزیتی نسبت به غشاهای اولیه منجر شده است. همچنین غشای نانوکامپوزیتی از هدایت پروتونی پنج برابری در مقایسه با غشای معمولی برخوردار است.
وی گفت: استفاده از نتایج این طرح موجب کاهش قیمت تمام‌شده‌ی پیل‌های سوختی در مقیاس صنعتی خواهد شد.
این تحقیقات حاصل تلاش‌های علیرضا شریف و مهدی عبدالهی- اعضای هیأت علمی دانشگاه تربیت مدرس- و مهندس عباس شیردست- دانش‌آموخته دوره کارشناسی ارشد این دانشگاه است. نتایج این کار در مجله Journal of Power Sources (جلد ۳۰۶، سال ۲۰۱۶، صفحات ۵۴۱ تا ۵۵۱) به چاپ رسیده است.
