ابرخازنی که با نور خورشید شارژ میشود
محققان دانشگاه صنعتی اصفهان در همکاری مشترک با دانشگاه اولسان کره جنوبی موفق به توسعه نسل جدیدی از سامانههای ذخیرهسازی انرژی خورشیدی شدند؛ فناوریای که میتواند مسیر بهرهگیری از انرژیهای پاک و پایدار را هموارتر کند.
به گزارش برنا، با افزایش تقاضای جهانی برای انرژی و همزمان محدودیت منابع سوختهای فسیلی و نگرانیهای زیستمحیطی توسعه سامانههای کارآمد برای ذخیره انرژی تجدیدپذیر به یکی از چالشهای مهم فناوری تبدیل شده است. در این میان انرژی خورشیدی به دلیل ماهیت ناپیوسته تولید نیازمند فناوریهایی است که بتوانند انرژی تولیدشده را بهسرعت ذخیره و در زمان مناسب آزاد کنند.
در همین راستا پژوهشگران دانشگاه صنعتی اصفهان در یک پروژه مشترک بینالمللی با دانشگاه اولسان کره جنوبی بر طراحی ابرخازنهای فوتوشارژپذیر مبتنی بر الکترودهای فعال نوری تمرکز کردهاند. این فناوری امکان ذخیره مستقیم انرژی نور خورشید در ساختار دستگاه را فراهم میکند و میتواند به توسعه سامانههای خودشارژشونده انرژی کمک کند.
در این پژوهش ساختارهای هیبریدی مبتنی بر نانولولههای دیاکسید تیتانیوم (TiO₂) طراحی و ساخته شد. نانولولههای تیتانیومی ابتدا با روشهای پیشرفته اصلاح سطحی شدند و سپس لایههایی از سولفید نیکل، سولفید کبالت و ترکیب دوتایی نیکل-کبالت سولفید بر سطح آنها رسوب داده شد. این ساختار هیبریدی که با نماد NCS@TNT شناخته میشود به عنوان الکترود فوتواکتیو اصلی در سامانه ابرخازن مورد استفاده قرار گرفت.
هدف اصلی این طرح پاسخ به نیاز جهانی برای توسعه سامانههای ذخیره انرژی پاک، پایدار و سازگار با محیط زیست عنوان شده است. با افزایش سهم انرژیهای تجدیدپذیر در شبکههای برق یکی از چالشهای مهم عدم تطابق زمانی بین تولید و مصرف انرژی خورشیدی است. فناوری ابرخازنهای فوتوشارژپذیر میتواند این فاصله زمانی را کاهش داده و امکان ذخیره سریع انرژی حاصل از تابش خورشید را فراهم کند.
برای ارزیابی ساختار و عملکرد مواد ساختهشده مجموعهای از روشهای پیشرفته مشخصهیابی در این پژوهش به کار گرفته شد. از جمله این روشها میتوان به آنالیز پراش پرتو ایکس (XRD) برای تعیین فاز کریستالی، میکروسکوپ الکترونی روبشی گسیلمیدانی (FESEM) برای بررسی مورفولوژی سطح، میکروسکوپ الکترونی عبوری (TEM) برای مشاهده ساختار داخلی نانومواد و طیفسنجی پراکندگی انرژی پرتو ایکس (EDS) برای تحلیل ترکیب عنصری اشاره کرد. همچنین برای بررسی خواص نوری و الکتروشیمیایی مواد، آزمونهای طیفسنجی فرابنفش-مرئی (UV-Vis) و تحلیل سطح ویژه بر پایه مدل BET مورد استفاده قرار گرفت.
نتایج آزمایشها نشان داد که الکترود NCS@TNT-۱ در مقایسه با نمونههای بدون پوشش یا نمونههایی که تنها با یک فلز اصلاح شده بودند، عملکرد بهتری در جداسازی و انتقال حاملهای بار فوتونی دارد. یکی از دستاوردهای مهم این پژوهش افزایش قابل توجه ظرفیت سطحی الکترود تحت تابش نور بود.
بر اساس نتایج بهدستآمده 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. همچنین در حضور نور ظرفیت خازنی این الکترود تقریبا دو برابر افزایش یافت و به حدود ۹۵۵٫۶ میلیفاراد بر سانتیمتر مربع رسید.
پژوهشگران این افزایش ظرفیت را به سازوکار تولید و جداسازی جفت الکترون_حفره در ساختار نیمههادی نسبت دادهاند. به بیان ساده تابش نور در این ساختار مانند یک کاتالیزور الکترونی عمل کرده و فرآیند ذخیره بار در سطح الکترود را تسهیل میکند.
برای بررسی قابلیت کاربردی این فناوری پژوهشگران سه نمونه ابرخازن آسیمتریک فوتوشارژپذیر طراحی کردند. در این سامانهها الکترود NCS@TNT-۱ در کنار الکترولیت ژلی پلیوینیل الکل–پتاسیم هیدروکسید (PVA-KOH) به کار گرفته شد. این الکترولیت علاوه بر ایفای نقش محیط یونی به عنوان جداکننده نیز عمل میکند و به دلیل هدایت یونی مناسب، پایداری شیمیایی بالا و سازگاری ساختاری با الکترودهای نانومقیاس انتخاب شده است.
آزمونهای چرخهای نشان داد دستگاه ساختهشده از پایداری عملکردی بالایی برخوردار است. به طوری که 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 آزمایشهای دیگری که تا ۱۰۰۰۰ چرخه ادامه یافت نیز سامانه پایداری ساختاری خود را حفظ کرد و افت ظرفیت قابل توجهی مشاهده نشد.
یکی از ویژگیهای قابل توجه این فناوری افزایش زمان دشارژ در حضور نور بود. این پدیده نشان میدهد تابش نور نه تنها فرآیند شارژ را تقویت میکند، بلکه میتواند آزادسازی انرژی ذخیرهشده را نیز کنترلپذیرتر کند.
محاسبات مربوط به چگالی انرژی و چگالی توان نیز نشان داد که سامانه طراحیشده قابلیت استفاده در تجهیزات الکترونیکی کممصرف و سامانههای ذخیره انرژی توزیعشده را دارد.
در این پژوهش برای فعالسازی عملکرد فوتوالکتروشیمیایی الکترودها از تابش نور با شدت حدود ۱۰۰ میلیوات بر سانتیمتر مربع از یک منبع زنون استفاده شد. نتایج همچنین نشان داد تغییر نسبت سولفید نیکل به سولفید کبالت میتواند به طور مستقیم بر میزان جذب نور در محدوده مرئی و عملکرد انتقال بار اثر بگذارد.
به گفته پژوهشگران اهمیت این پژوهش تنها در افزایش ظرفیت ذخیره انرژی خلاصه نمیشود بلکه رویکرد ارائهشده میتواند پایهای برای طراحی سامانههای خودشارژشونده در آینده باشد؛ سامانههایی که قادرند انرژی خورشیدی را دریافت کرده آن را به بار الکتریکی تبدیل کنند و بدون نیاز به زیرساختهای پیچیده شبکهای انرژی را در خود ذخیره کنند.
کارشناسان حوزه انرژی معتقدند چنین فناوریهایی میتواند در کاربردهایی مانند حسگرهای هوشمند، تجهیزات اینترنت اشیا، منابع تغذیه اضطراری و دستگاههای الکترونیکی قابلحمل مورد استفاده قرار گیرد. همچنین ترکیب نانوساختارهای نیمههادی با مواد انتقالی فلزی میتواند مسیر تازهای در طراحی مواد فوتواکتیو ایجاد کند.
پژوهشگران تاکید میکنند استفاده از ساختارهای نانولولهای دیاکسید تیتانیوم به دلیل سطح ویژه بالا مسیرهای کوتاه انتقال الکترون و مقاومت مناسب در برابر خوردگی، گزینهای مناسب برای نسل آینده سامانههای ذخیره انرژی به شمار میرود. این ویژگیها باعث شده است این پژوهش نمونهای از همگرایی فناوری نانو، فوتونیک و مهندسی انرژی تلقی شود.
نتایج این تحقیق 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 منتشر شده است.
انتهای پیام/
