استخدام أنابيب الكربون النانوية لتطوير خلايا الوقود والبطاريات

اكتشف علماء جامعة ستانفورد أن أنابيب الكربون النانوية التي تحتوي على عيوب وشوائب في مظهرها الخارجي يمكن أن تحل محل محفزات البلاتين الباهظة الثمن المستخدمة اليوم في خلايا الوقود وبطاريات الهواء المعدنية.

اكتشف علماء جامعة ستانفورد أن أنابيب الكربون النانوية التي تحتوي على عيوب وشوائب في مظهرها الخارجي يمكن أن تحل محل محفزات البلاتين الباهظة الثمن المستخدمة اليوم في خلايا الوقود وبطاريات الهواء المعدنية.

وقال هونغ جي داي، أستاذ الكيمياء في جامعة ستانفورد: "معدن البلاتين مكلف للغاية، وبالتالي فهو غير عملي للتسويق على نطاق واسع". "لذلك، كان تطوير بديل رخيص للبلاتين هدفًا بحثيًا مرغوبًا فيه لعقود من الزمن."

وعلى مدى السنوات الخمس الماضية، ارتفع سعر البلاتين من ثمانمائة دولار للأوقية (28 جراما) إلى ألفين ومائتي دولار للأوقية. واحدة من المواد الواعدة التي يمكن استخدامها كبديل رخيص للبلاتين هي أنابيب الكربون النانوية - وهي عبارة عن ورقة ملفوفة من الكربون النقي تعرف باسم الجرافين، وهي ورقة يبلغ سمكها ذرة كربون واحدة. تعتبر الأنابيب النانوية الكربونية والجرافين موصلات كهربائية ممتازة ورخيصة الثمن نسبيًا في التصنيع.

في هذه الدراسة، استخدم العلماء أنابيب نانوية كربونية متعددة الجدران تحتوي على أنبوبين أو ثلاثة أنابيب موضوعة داخل بعضها البعض. وأظهر الباحثون أن تمزيق الجدار الخارجي مع ترك الجدران الداخلية سليمة يزيد من النشاط التحفيزي في الأنابيب النانوية ولا يتعارض مع قدرتها على توصيل الكهرباء.

يوضح أحد الباحثين: "عادةً ما تحتوي الأنابيب النانوية الكربونية على عدة عيوب". "ومع ذلك، فإن العيوب مهمة في الواقع لتشجيع تكوين مواقع الحفز والحفاظ على قدرة الأنابيب النانوية على البقاء نشطة في التفاعلات التحفيزية."

أدخل الباحثون أنابيبهم النانوية في المحلول. كشف الفحص المجهري أن المحلول تسبب في التحضير الجزئي للأنابيب النانوية الخارجية وتكوين جزيئات الجرافين النانوية الملتصقة بالأنابيب النانوية الداخلية. يوضح الباحث الرئيسي: "لقد اكتشفنا أن إضافة عدد قليل من شوائب الحديد والنيتروجين يجعل الجدار الخارجي نشطًا للغاية من حيث التفاعلات التحفيزية". "وفي الوقت نفسه، يظل الجزء الداخلي من الأنابيب النانوية سليمًا ويوفر مسارًا لحركة الإلكترونات. تريد أن يكون الجانب الخارجي نشطًا للغاية وأن تظل المادة تتمتع بموصلية كهربائية جيدة. فإذا استخدمنا أنابيب الكربون النانوية بجدار واحد فقط، فلن نتمكن من الحصول على هذه الميزة لأن تدمير الجدار سيقضي على قدرة المادة على توصيل الكهرباء".

وفي خلايا الوقود وبطاريات الهواء المعدنية، يلعب المحفز البلاتيني دورًا حيويًا في تسريع التفاعلات الكيميائية التي تحول الهيدروجين والأكسجين إلى ماء. وأضاف الباحث أنه من الممكن أيضًا أن تعمل الأنابيب النانوية متعددة الجدران والأنابيب المجوفة جزئيًا بهذه الطريقة. وقال الباحث: "لقد اكتشفنا أن النشاط التحفيزي للأنابيب النانوية قريب جدًا من نشاط البلاتين". "هذا النشاط العالي واستقرار تصميمه يجعل من هذه المادة مرشحًا واعدًا في تطبيق خلايا الوقود." ويمكن أيضًا استخدام هذه الأنابيب النانوية في بطاريات الهواء المعدنية المكونة من الليثيوم أو الزنك.

أخبار الدراسة