(أخبار نانويرك): يعمل المهندسون في جامعة إلينوي في شيكاغو مع فريق تعاوني على تطوير مادة يمكن أن تمنح أنظمة خلايا الوقود ميزة تنافسية على أنظمة البطاريات التي تعمل معظم السيارات الكهربائية حاليًا عليها.
على عكس بطاريات الليثيوم، تعتمد تقنية خلايا الوقود على التفاعلات الكيميائية التي يحركها المحفز لتوليد الطاقة. يمكن لبطاريات الليثيوم أن تقطع مسافة تتراوح من 100 إلى 300 ميل بشحنة واحدة، ولكنها في نفس الوقت تكون تكلفتها مرتفعة جدا بسبب تصنيع مواد الكاثود التي تتطلب أيضا عدة ساعات لشحنها.
بدلاً من ذلك، تستفيد أنظمة خلايا الوقود من العناصر الوفيرة مثل الأكسجين والهيدروجين حيث يمكنها قطع مسافة أكثر من 400 ميل بشحنة واحدة في أقل من خمس دقائق. لسوء الحظ، فإن المحفزات المستخدمة في التفاعلات الكيميائية مصنوعة من مواد إما باهظة الثمن (مثل البلاتين) أو تتحلل بسرعة كبيرة مما يجعلها غير عملية في الاستخدام.
مع تطور المواد المضافة الجديدة، يمكن للعلماء صنع محفز غير مكلف وأكثر دواما ومتانة لخلايا وقود الحديد والنيتروجين والكربون. عند إضافتها إلى التفاعلات الكيميائية، تحمي المادة المضافة أنظمة خلايا الوقود من اثنين من أكثر نواتجها تآكلًا: الجسيمات غير المستقرة مثل الذرات أو الجزيئات أو الأيونات التي تسمى الجذور الحرة، وبيروكسيد الهيدروجين.
تم نشر النتائج تجاربهم في دورية “Nature Energy” العلمية بعنوان (“Ta–TiOx nanoparticles as radical scavengers to improve the durability of Fe–N–C oxygen reduction catalysts”).
استخدم رضا شهبازيان يسار، أستاذ الهندسة الميكانيكية والصناعية في كلية الهندسة في جامعة إلينوي في شيكاغو، وزملاؤه تقنيات التصوير المتقدمة لفحص التفاعلات مع المادة، مادة مضافة تتكون من جزيئات نانوية من أكسيد التنتالوم والتيتانيوم التي تزيل الجذور الحرة وتبطل مفعولها. وقد سمح لنا التصوير العالي الدقة للهياكل الذرية بتحديد المعلمات الهيكلية اللازمة لعمل المادة المضافة.
قال الباحث المشارك في الدراسة شهبازيان يسار. “في مختبرنا، نحن قادرون على استخدام المجهر الإلكتروني لالتقاط صور مفصلة للغاية وذات دقة ذرية للمواد في ظل مجموعة متنوعة من ظروف الخدمة، بواسطة تحقيقاتنا الهيكلية، تعلمنا ما كان يحدث في التركيب الذري للمواد المضافة وتمكنا من تحديد حجم وأبعاد الجسيمات النانوية الكاسحة ونسبة التنتالوم وأكسيد التيتانيوم. وقد أدى ذلك إلى فهم الحالة الصحيحة لسبائك المحلول الصلب المطلوبة للمادة المضافة لحماية خلية الوقود من التآكل والتدهور “.
كشفت التجارب أن هناك حاجة إلى محلول صلب من التنتالوم وأكسيد التيتانيوم وأن الجسيمات النانوية يجب أن تكون حوالي خمسة نانومتر. وكشفت التجارب أيضًا أن نسبة مابين 6-4 من التنتالوم إلى أكسيد التيتانيوم هي الكمية المطلوبة.
قال شهبازيان يسار. “النسبة هي المفتاح لتكوين مواد كاسحة للجسيمات النانوية كما ساعد استدامة الحالة الصلبة للمواد في الحفاظ على هيكل البيئة”.
أظهرت التجارب أنه عند إضافة مادة الجسيمات النانوية الكاسحة إلى تفاعلات أنظمة خلايا الوقود، تم خفض إنتاج بيروكسيد الهيدروجين من 51٪ إلى أقل من 2٪، وانخفض اضمحلال الكثافة الحالية لخلايا الوقود من 33٪ إلى 3 فقط ٪.
قال شهبازيان يسار أيضا “تعد خلايا الوقود بديلاً جذابًا للبطاريات نظرًا لفعاليتها العالية، وقدرتها في إعادة الشحن السريع، ووزنها الخفيف، وحجمها الأصغر، شريطة أن نتمكن من إيجاد طرق أكثر اقتصادية لفصل الهيدروجين وتخزينه، في هذه الورقة، حددنا النهج الذي يجعلنا أقرب كثيرًا إلى جعل المركبات التي تعمل بخلايا الوقود وتقنيات خلايا الوقود الأخرى حقيقة واقعة “.
المصدر: جامعة إلينوي شيكاغو – الترجمة من قبل موقع نادي نانو
رابط المقال اﻷصلي: https://www.nanowerk.com/nanotechnology-news2/newsid=60241.php
