راهکاری برای افزایش ۲ برابری ظرفیت خازنی با تابش نور
محققان ایرانی در همکاری با پژوهشگرانی از کره جنوبی نسل جدیدی از سامانههای ذخیرهسازی انرژی خورشیدی را معرفی کردند که میتواند مسیر توسعه منابع انرژی پاک را هموارتر کند.
به گزارش سیناپرس، در دنیایی که افزایش تقاضای انرژی با محدودیت منابع فسیلی و نگرانیهای زیستمحیطی همراه شده، توسعه تجهیزات ذخیره انرژی خورشیدی یکی از مهمترین چالشهای فناوری معاصر محسوب میشود، محققان دانشگاه صنعتی اصفهان در پژوهشی مشترک با دانشگاه اولسان کره جنوبی پژوهشی تازه بر طراحی ابرخازنهای فوتوشارژپذیر مبتنی بر الکترودهای فعال نوری اجرایی کردند که نسل جدیدی از سامانههای ذخیرهسازی را معرفی کردند؛ جایی که بخش نانویی پروژه در ساخت ساختارهای نانو لولهای دیاکسید تیتانیوم و تزریق نانو مقیاس سولفیدهای نیکل و کبالت بر سطح آنها شکل گرفته است.
این ساختارهای هیبریدی با هدف افزایش جداسازی حاملهای بار نوری و ارتقای ظرفیت ذخیره انرژی طراحی شدهاند. نتایج نشان میدهد که نور میتواند نقش فعالی در تقویت فرآیند شارژ و افزایش چگالی ظرفیت الکتروشیمیایی ایفا کند. این دستاورد گامی مهم در جهت توسعه سامانههای خودشارژشونده و پایدار انرژی به شمار میرود.
در این پروژه طراحی ساختارهای هیبریدی مبتنی بر نانولولههای تیتانیوم دیاکسید انجام شد. نانو لولههای TiO₂ با روشهای پیشرفته سطحی اصلاح شده و سپس لایههایی از سولفید نیکل، سولفید کبالت و ترکیب دوتایی نیکل-کبالت سولفید بر روی آنها رسوب داده شده است. این ساختار که با نماد NCS@TNT شناخته میشود، به عنوان الکترود فوتواکتیو اصلی در سامانه ابرخازن مورد استفاده قرار گرفته است.
هدف اصلی از اجرای این پروژه، پاسخ به نیاز جهانی برای توسعه سامانههای ذخیره انرژی پاک، پایدار و سازگار با محیط زیست است. با افزایش سهم انرژیهای تجدیدپذیر در شبکههای برق، یکی از چالشهای جدی، عدم تطابق زمانی بین تولید و مصرف انرژی خورشیدی است.
فناوری ابرخازنهای فوتوشارژپذیر میتواند این شکاف را کاهش دهد و امکان ذخیره سریع انرژی تولیدشده از نور خورشید را فراهم کند.
در بخش آزمایشگاهی پژوهش، مجموعهای از روشهای پیشرفته مشخصهیابی برای ارزیابی ساختار و عملکرد مواد استفاده شد. آنالیزهای پراش پرتو ایکس برای تعیین فاز کریستالی، میکروسکوپ الکترونی روبشی گسیلمیدانی برای بررسی مورفولوژی سطح، میکروسکوپ الکترونی عبوری برای مشاهده ساختار داخلی نانومواد و طیف سنجی انرژی پراکندگی اشعه ایکس برای تحلیل ترکیب عنصری انجام گرفت. همچنین برای بررسی خواص نوری و الکتروشیمیایی، آزمونهای طیفسنجی فرابنفش-مرئی و آنالیزهای سطح ویژه بر پایه مدل BET مورد استفاده قرار گرفت.
نتایج نشان داد الکترود NCS@TNT-۱ در مقایسه با نمونههای بدون پوشش یا پوششدادهشده با تکفلز، عملکرد بهتری در جداسازی و انتقال حاملهای بار فوتونی دارد. یکی از نکات برجسته این پژوهش، افزایش چشمگیر ظرفیت سطحی الکترود تحت تابش نور بود. ظرفیت ویژه الکتروشیمیایی الکترود منتخب به حدود ۴۷۱٫۶ میلیفاراد بر سانتیمتر مربع در چگالی جریان ۰٫۷ میلیآمپر بر سانتیمتر مربع رسید که حدود ۱۱ برابر بیشتر از نانولولههای تیتانیومی بدون اصلاح سطحی است.
نکته مهمتر آنکه با تابش نور، ظرفیت خازنی این الکترود تقریباً دو برابر شد و به حدود ۹۵۵٫۶ میلیفاراد بر سانتیمتر مربع افزایش یافت. این افزایش ظرفیت به سازوکار تولید و جداسازی جفت الکترون-حفره در ساختار نیمههادی نسبت داده شده است. به بیان ساده، نور مانند یک کاتالیزور الکترونی عمل کرده و موجب تسهیل فرآیند ذخیره بار در سطح الکترود میشود.
پژوهشگران برای ارزیابی کاربرد عملی فناوری پیشنهادی، سه نمونه ابرخازن آسیمتریک فوتوشارژپذیر طراحی کردند. در این سامانهها، الکترود NCS@TNT-۱ به همراه الکترولیت پلیوینیل الکل-پتاسیم هیدروکسید (PVA-KOH) به عنوان همزمان نقش جداکننده و محیط یونی را ایفا کردند. انتخاب این ترکیب به دلیل پایداری شیمیایی بالا، هدایت یونی مناسب و سازگاری ساختاری با الکترود نانومقیاس بوده است.
آزمونهای چرخهای نشان داد دستگاه ساخته شده پایداری بسیار مطلوبی دارد و پس از بیش از ۵۰۰۰ چرخه شارژ و دشارژ گالوانواستاتیک، میزان حفظ ظرفیت در شرایط تاریکی حدود ۹۱٫۴ درصد و در حضور نور حدود ۹۶٫۷۵ درصد باقی مانده است. در نسخه دیگر آزمایشها که تا ۱۰۰۰۰ چرخه ادامه یافت، سامانه همچنان پایداری ساختاری خود را حفظ کرد و کاهش ظرفیت قابل توجهی مشاهده نشد.
یکی از ویژگیهای مهم این فناوری، افزایش زمان دشارژ در حضور نور بود. این پدیده نشان میدهد که تابش نوری نه تنها فرآیند شارژ را تسهیل میکند، بلکه میتواند انرژی ذخیرهشده را به صورت کنترلشده آزاد کند. محاسبات انجامشده درباره چگالی انرژی و توان نیز نشان داد که سامانه طراحیشده ظرفیت مناسبی برای کاربرد در تجهیزات الکترونیکی کممصرف و سامانههای ذخیره انرژی توزیعشده دارد.
این محققان تأکید کردند که استفاده از نور با شدت حدود ۱۰۰ میلیوات بر سانتیمتر مربع از یک منبع تابش زنون برای فعالسازی عملکرد فوتوالکتروشیمیایی الکترودها مناسب بوده است. بررسیها نشان میدهد تغییر نسبت سولفید نیکل به سولفید کبالت میتواند به طور مستقیم بر جذب نور در محدوده مرئی و عملکرد انتقال بار اثر بگذارد.
اهمیت این پژوهش تنها در افزایش ظرفیت ذخیره انرژی خلاصه نمیشود، بلکه رویکرد ارائهشده میتواند پایهای برای طراحی سامانههای خودشارژشونده آینده باشد. در چنین سامانههایی، دستگاه انرژی خورشیدی را دریافت کرده، آن را به بار الکتریکی تبدیل کرده و بدون نیاز به زیرساختهای پیچیده شبکهای، انرژی را در خود ذخیره میکند.
کارشناسان حوزه انرژی معتقدند توسعه این فناوری میتواند در کاربردهایی مانند حسگرهای هوشمند، تجهیزات اینترنت اشیا، منابع تغذیه اضطراری و سامانههای الکترونیکی قابلحمل نقشآفرین باشد. همچنین ترکیب فناوری نانوساختارهای نیمههادی با مواد انتقالی فلزی میتواند مسیر جدیدی در طراحی مواد فوتواکتیو باز کند.
به گفته پژوهشگران، گسترش استفاده از ساختارهای نانولولهای تیتانیوم دیاکسید به دلیل سطح ویژه بالا، مسیرهای انتقال الکترونی کوتاه و مقاومت مناسب در برابر خوردگی، گزینهای مطلوب برای نسل آینده سامانههای ذخیره انرژی محسوب میشود. این ویژگیها باعث شده است که پژوهش حاضر به عنوان نمونهای از همگرایی فناوری نانو، الکترونیک فوتونی و مهندسی انرژی معرفی شود.
انتشار نتایج این تحقیق میتواند به توسعه فناوریهای ذخیره انرژی تجدیدپذیر در مقیاس صنعتی کمک کند و زمینه را برای طراحی ابرخازنهای هوشمندتر و پایدارتر فراهم سازد. پژوهشگران همچنین اعلام کردهاند که بررسیهای بیشتر برای افزایش بازده تبدیل فوتوالکتروشیمیایی و بهینهسازی ساختار لایههای نانویی در دستور کار قرار دارد.
نتایج این پروژه در قالب مقالهای با عنوان Photo-rechargeable asymmetric supercapacitors based on nickel–cobalt sulfide on titania as novel photo-active electrodes در نشریه Chemical Engineering Journal به چاپ رسیده است.
