پژوهشگران کرهای موفق به توسعه فناوریای شدهاند که از گاز منوکسید کربن که معمولا برای انسانها سمی است برای کنترل دقیق فیلمهای نازک فلزی با ضخامت تنها ۰.۳ نانومتر استفاده میکند.
به گزارش phys.org، این فناوری امکان تولید سریع و سادهتر کاتالیزورهای هسته پوسته را فراهم میکند؛ کاتالیزورهایی که نقش کلیدی در افزایش صرفه اقتصادی سلولهای سوختی دارند و انتظار میرود صنایع مرتبط را به شکل قابل توجهی تقویت کنند. نتایج این تحقیق در نشریه معتبر ACS Nano منتشر شده و تیم پژوهشی شامل گوگون پارک، یونگمین کوان و اونجیک لی از آزمایشگاه سلول سوختی هیدروژنی موسسه تحقیقات انرژی کره است.
کاتالیزورهای هسته پوسته به گونهای طراحی میشوند که هسته داخلی و پوسته خارجی آنها از فلزات متفاوت ساخته شده باشد. معمولا هسته از فلز کمهزینه و پوسته از پلاتین تشکیل میشود که واکنشهای شیمیایی در سلولهای سوختی را تسهیل میکند. این ساختار اجازه میدهد تا عملکرد بالایی حفظ شود و در عین حال مقدار کمی پلاتین گرانقیمت استفاده شود و بنابراین کاتالیزورهای هسته پوسته عامل استراتژیکی برای بهبود صرفه اقتصادی سلولهای سوختی محسوب میشوند.
برای دستیابی به ساختار هسته پوسته با عملکرد بالا لازم است که یک پوسته اتمی بهطور دقیق روی سطح هسته پوشانده شود. تاکنون روش رسوبدهی زیرپتانسیلی مس (Cu-UPD) برای کنترل دقیق ضخامت پوسته استفاده میشد؛ در این روش ابتدا لایه نازکی از مس کمهزینه روی هسته قرار میگیرد و سپس پلاتین جایگزین آن میشود.
با این حال این روش نیازمند کنترل بسیار دقیق ولتاژ و حذف اکسیدهای سطحی است و به همین دلیل تولید گسترده کاتالیزورهای هسته پوسته پیچیده و زمانبر است.
برای حل این چالش تیم پژوهشی روش جدیدی با نام رسوبدهی القا شده توسط جذب CO (CO AID) توسعه داده است. در این روش، رفتار اکسایش کاهش منوکسید کربن به کار گرفته میشود و امکان پوششدهی دقیق فلز بدون نیاز به مواد کاهنده اضافی و مراحل پیچیده فراهم میشود و زمان پردازش تا یک دهم روشهای سنتی کاهش مییابد.
پژوهشگران به تمایل قوی منوکسید کربن برای جذب شدن روی سطوح فلزی توجه کردند. گاز CO به راحتی به فلزات میچسبد و همین ویژگی است که آن را برای انسانها خطرناک میکند؛ زیرا هنگام استنشاق، CO به یونهای آهن خون متصل میشود و مانع انتقال اکسیژن میشود. با استفاده از این ویژگی تیم تحقیقاتی منوکسید کربن را بهعنوان یک لایه تکمولکولی روی سطح هسته فلزی جذب کرد و سپس پلاتین بهطور انتخابی روی این لایه کاهش یافت که امکان کنترل دقیق ضخامت پوسته در مقیاس فوق نازک حدود ۰.۳ نانومتر را فراهم میکند.
با این روش، امکان تولید کاتالیزورهای هسته پوسته در مقیاس کیلوگرم تنها در ۳۰ دقیقه تا ۲ ساعت وجود دارد؛ در حالی که روش سنتی رسوبدهی مس بیش از ۲۴ ساعت زمان نیاز دارد. علاوه بر این، از آنجایی که این فرآیند از فعالیت اکسایش کاهش ذاتی CO استفاده میکند، دیگر نیازی به سیستمهای الکتروشیمیایی یا مواد کاهنده اضافی نیست.
با استفاده از این روش پژوهشگران کاتالیزورهای هسته پوسته پلاتین را روی فلزاتی مانند پالادیوم، طلا و ایریدیوم تولید کردند. بهویژه کاتالیزور هسته پوسته پلاتین پالادیوم تقریبا دو برابر فعالیت واکنش کاهش اکسیژن (ORR) و ۱.۵ برابر دوام بیشتری نسبت به کاتالیزورهای تجاری پلاتین روی کربن (Pt/C) نشان داد.
پارک، پژوهشگر ارشد توضیح داد: ایده اصلی این تحقیق تبدیل سمیت منوکسید کربن به ابزاری برای کنترل فیلمهای نازک در مقیاس نانو بود. این فناوری با امکان مهندسی دقیق مواد در سطح اتمی و کاهش چشمگیر زمان پردازش، یک پارادایم جدید در سنتز کاتالیزور ارائه میدهد و چشمانداز تجاریسازی عالی دارد.
کوان، عضو تیم تحقیقاتی افزود: توانایی دستکاری سطح نانوذرات فلزی در مقیاس لایه اتمی با استفاده از گازی ساده مانند CO میتواند پیامدهای گستردهای نه تنها برای تولید کاتالیزورهای سلول سوختی بلکه برای پیشرفت تولید نانوذرات در حوزههایی مانند نیمههادیها و مواد فیلم نازک داشته باشد.
انتهای پیام/