ساخت کاتالیست پربازده پیل‌های سوختی

واکنشی که در این سیستم‌ها اتفاق می‌افتد معمولاً به واکنش احیاء اکسیژن (ORR) و واکنش تولید اکسیژن (OER) شهرت دارند. از آنجایی که سینتیک پایین ORR یکی از اصلی‌ترین موانع در مسیر تولید انبوه این سیستم‌هاست، تحقیقات زیادی روی توسعه‌ی کاتالیست‌های کارا برای ORR و با یک درجه کمتر روی OER در حال انجام است.

عملکرد پیل‌های سوختی به شدت وابسته به ORR است؛ فرآیندی که در آن پیوند مولکول‌های اکسیژن شکسته می‌شود. این فرآیند متأثر از فعالیت کاتالیست کاتدی است. پلاتین یکی از کاراترین کاتالیست‌ها در فرآیند ORR است، اما برای فرآیند OER کارایی متوسطی دارد.

پژوهشگران دانشگاه سیانگو موفق به ارائه‌ی ساختار جدید از جنس گرافن و نانولوله کربنی تک جداره شدند که با استفاده از فرآیند تک مرحله‌ای و با روش CVD بدست می‌آید.

ژانگ می‌گوید: برخلاف فعالیت کاتالیستی بالا، کاتالیست‌های فلزی نجیب نظیر پلاتین، روتنیوم و ایریدیوم، هزینه‌ی بالایی و در مقابل پایداری کمتری دارند. در نتیجه دانشمندان به دنبال جایگزین ارزان یا غیر فلزی برای این ترکیبات هستند. فعالیت کاتالیستی هترواتم‌های تقویت شده با نانومواد کربنی بهبود قابل توجهی پیدا می‌کند.

این گروه تحقیقاتی با ترکیب نانولوله‌کربنی تک جداره و گرافن تقویت شده با نیتروژن، موفق به ساخت کاتالیست جدید شدند. ژانگ می‌گوید: ما به دنبال استفاده از هیدروکسیدهای دولایه به عنوان کاتالیست دو عاملی بودیم. از این رو نانولوله کربنی و گرافن را به صورت همزمان رشد داده و شبکه‌ای سه بعدی ایجاد کردیم.

برهمکنش واندروالسی میان این دو ماده موجب اتصال آن‌ها شده و به دلیل مساحت سطحی بالا، سایت‌های زیادی برای انجام فعالیت کاتالیستی دارد. این کاتالیست از مزیت‌های گرافن و نانولوله کربنی همزمان برخوردار است. محققان این کاتالیست را با کاتالیست پلاتین کربن مقایسه کرده و دریافتند که پایداری و عملکرد آن بهبود قابل توجهی یافته است.

جزئیات مربوط به ساخت این ترکیب که موجب بهبود کارایی فرآیندهای ORR و OER می‌شود، در قالب مقاله‌ای با عنوان Nitrogen-Doped Graphene/Carbon Nanotube Hybrids: In Situ Formation on Bifunctional Catalysts and Their Superior Electrocatalytic Activity for Oxygen Evolution/Reduction Reaction در نشریه‌ی Small به چاپ رسیده است.