پژوهشگران دانشگاه کاشان:
گامی نو در ذخیرهسازی هیدروژن با نانومواد
پژوهشگران دانشگاه کاشان با مهندسی ساختارهای آلی-فلزی (MIL-۵۳) و ترکیب آن با نانولولههای کربنی و نانوذرات نقره، ظرفیت جذب و ذخیرهسازی ایمن هیدروژن را بهبود بخشیدند که میتواند چالش اصلی اقتصاد هیدروژنی، یعنی نگهداری کارآمد این سوخت پاک، را مرتفع سازد.
به گزارش سیناپرس، پژوهشگران دانشگاه کاشان در مطالعهای تازه موفق شدهاند با استفاده از فناوری نانو و مهندسی ساختارهای آلی ـ فلزی، عملکرد ذخیرهسازی الکتروشیمیایی هیدروژن را بهبود دهند؛ دستاوردی که میتواند به توسعه سامانههای انرژی پاک و کاهش وابستگی به سوختهای فسیلی کمک کند.
در این پژوهش، محققان با ایجاد نقصهای کنترلشده در چارچوب متخلخل MIL-۵۳(Cr) و ترکیب آن با نانولولههای کربنی چنددیواره و نانوذرات نقره، توانستهاند تعداد جایگاههای فعال برای جذب و ذخیره هیدروژن را افزایش دهند.
اهمیت این دستاورد از آنجا ناشی میشود که ذخیرهسازی ایمن و کارآمد هیدروژن یکی از چالشهای اصلی اقتصاد هیدروژنی در جهان به شمار میرود. دانشمندان سالهاست میخواهند هیدروژن را به سوخت آینده تبدیل کنند، اما ظاهراً خود هیدروژن چندان علاقهای به ماندن در مخزن ندارد و مدام باید برای مهارش، مواد پیچیدهتر و نانوساختارهای عجیبتری ساخته شود.
با افزایش نگرانیها درباره تغییرات اقلیمی، آلودگی هوا و محدود بودن منابع سوختهای فسیلی، بسیاری از کشورها به دنبال منابع انرژی پاک و پایدار هستند. در میان گزینههای مختلف، هیدروژن یکی از مهمترین سوختهای آینده به شمار میرود؛ عنصری سبک، پرانرژی و بدون تولید آلایندههای کربنی در زمان مصرف. با این حال، ذخیرهسازی ایمن و مؤثر هیدروژن همچنان یکی از بزرگترین چالشهای پیش روی توسعه اقتصاد هیدروژنی محسوب میشود. هیدروژن کوچکترین عنصر جهان است و دقیقاً به همین دلیل، نگهداری آن دردسر بزرگی برای مهندسان ایجاد کرده است؛ انگار بشر تصمیم گرفته یکی از فرّارترین عناصر طبیعت را داخل مخزن نگه دارد و اسمش را «راهحل آینده» بگذارد.
در همین راستا، پژوهشگران دانشگاه کاشان مطالعهای انجام دادهاند که میتواند مسیر تازهای برای بهبود ذخیرهسازی الکتروشیمیایی هیدروژن ارائه کند. این تحقیق بر پایه استفاده از چارچوبهای آلی ـ فلزی یا MOFها انجام شده است؛ موادی پیشرفته با ساختار متخلخل که به دلیل سطح ویژه بسیار بالا، قابلیت جذب زیاد و امکان طراحی ساختار در ابعاد نانو، توجه گستردهای در حوزه انرژی و محیطزیست به خود جلب کردهاند.
چارچوبهای آلی ـ فلزی ترکیباتی هستند که از اتصال یونهای فلزی به لیگاندهای آلی ساخته میشوند و ساختاری شبکهای و متخلخل ایجاد میکنند. این ساختارها به دلیل داشتن منافذ فراوان، توانایی بالایی در جذب گازها دارند و به همین دلیل در ذخیرهسازی گازهایی مانند هیدروژن، متان و دیاکسیدکربن کاربرد گستردهای پیدا کردهاند. در سالهای اخیر، پژوهشگران تلاش کردهاند با تغییر ساختار این مواد، عملکرد آنها را در کاربردهای مختلف افزایش دهند.
در پژوهش جدید، محققان دانشگاه کاشان روی چارچوب MIL-۵۳(Cr) تمرکز کردهاند؛ نوعی ساختار آلی ـ فلزی مبتنی بر کروم که به دلیل پایداری حرارتی مناسب و قابلیت جذب بالا، یکی از گزینههای مهم در حوزه ذخیرهسازی انرژی محسوب میشود. پژوهشگران برای بهبود عملکرد این ساختار، از روشی موسوم به «مهندسی نقص» استفاده کردهاند؛ روشی که در آن به صورت کنترلشده، برخی نواقص در ساختار ماده ایجاد میشود تا ویژگیهای عملکردی آن تغییر کند.
پژوهشگران با طراحی نواقص ساختاری در مقیاس نانو و ترکیب چارچوب MIL-۵۳(Cr) با نانوذرات نقره و نانولولههای کربنی چنددیواره عاملیسازیشده، موفق شدند سطح فعال ماده را افزایش دهند. نانولولههای کربنی چنددیواره که در ابعاد نانومتری ساخته میشوند، رسانایی الکتریکی بسیار بالایی دارند و میتوانند انتقال الکترون را در سامانه بهبود دهند. همچنین نانوذرات نقره نقش مهمی در افزایش فعالیت الکتروشیمیایی و بهبود جذب هیدروژن ایفا میکنند.
در این مطالعه، پژوهشگران از اسیدنیتریک به عنوان تعدیلکننده یا modulator استفاده کردند تا نقصهای کنترلشدهای در ساختار ایجاد شود. اضافه شدن اسید باعث حذف بخشی از لیگاندهای BDC در ساختار چارچوب شد و در نتیجه برخی مراکز فلزی بیشتر در دسترس قرار گرفتند. این موضوع سبب شد تعداد جایگاههای فعال برای واکنشها و جذب هیدروژن افزایش پیدا کند.
به گفته پژوهشگران، میزان بهبود عملکرد به شدت به غلظت و اسیدیته تعدیلکننده وابسته بوده است. در واقع، تنظیم دقیق شرایط سنتز باعث ایجاد سطح جدیدی از برهمکنش میان ساختار MOF و گروههای اصلاحکننده شده و همین مسئله به تشکیل جایگاههای فعال بیشتر منجر شده است. این جایگاهها توانستهاند ظرفیت جذب و ذخیرهسازی هیدروژن را افزایش دهند.
یکی از نکات مهم این پژوهش، حفظ پایداری حرارتی ساختار در کنار افزایش فعالیت آن است. بسیاری از مواد متخلخل در صورت ایجاد نقصهای زیاد، استحکام ساختاری خود را از دست میدهند، اما در این مطالعه، چارچوب اصلاحشده همچنان پایداری مناسبی از خود نشان داده است. این موضوع برای کاربردهای صنعتی اهمیت بالایی دارد، زیرا مواد ذخیرهساز هیدروژن باید در شرایط مختلف عملکرد پایدار داشته باشند.
پژوهشگران معتقدند استفاده از مهندسی نقص در چارچوبهای آلی ـ فلزی میتواند راهی مؤثر برای طراحی نسل جدید مواد ذخیرهساز انرژی باشد. افزایش تعداد مراکز فعال و بهبود ویژگیهای الکتروشیمیایی این مواد، میتواند مسیر توسعه سامانههای ذخیره انرژی پاک را هموارتر کند.
در سالهای اخیر، بسیاری از کشورها سرمایهگذاری گستردهای روی فناوری هیدروژن انجام دادهاند، زیرا این عنصر میتواند در خودروهای سلول سوختی، ذخیره انرژی تجدیدپذیر و صنایع مختلف به کار گرفته شود. با این حال، چالش ذخیرهسازی همچنان مانعی جدی بر سر راه تجاریسازی گسترده آن است. پژوهشهایی مانند این مطالعه دانشگاه کاشان نشان میدهد فناوری نانو و طراحی دقیق ساختار مواد میتواند بخشی از این مشکل را برطرف کند.
کارشناسان حوزه انرژی معتقدند آینده انرژی جهان تنها به تولید هیدروژن وابسته نیست، بلکه به توانایی ذخیره و انتقال ایمن آن نیز گره خورده است. به همین دلیل، توسعه مواد نانوساختار پیشرفته برای جذب و نگهداری هیدروژن، یکی از مهمترین محورهای پژوهشی در جهان به شمار میرود.
به نقل از نانو ایران، انسانها ابتدا سوختهای فسیلی را سوزاندند، بعد فهمیدند سیاره در حال گرم شدن است، حالا با دقتی تقریباً شاعرانه مشغول طراحی نانوساختارهایی هستند تا شاید بتوانند آینده را کمی قابلتنفستر نگه دارند.
نتایج این پروژه در قالب مقاله ای با عنوان Role of acid modulators in improving electrochemical hydrogen storage in the MIL-۵۳(Cr) framework on the Ag/f-MWCNT substrate via defect engineering به چاپ رسیده است.
