ساخت قلب پیل سوختی با فناوری نانودر دانشگاه امیرکبیر

محققان دانشگاه صنعتی امیرکبیر موفق شدند با طراحی غشای تبادل پروتون به عنوان قلب پیل سوختی با فناوری نانو، عملکرد انتقال پروتون در این غشا را بهبود دهند که نقش بسزایی در

ساخت قلب پیل سوختی با فناوری نانودر دانشگاه امیرکبیر

محققان دانشگاه صنعتی امیرکبیر موفق شدند با طراحی غشای تبادل پروتون به عنوان قلب پیل سوختی با فناوری نانو، عملکرد انتقال پروتون در این غشا را بهبود دهند که نقش بسزایی در افزایش بازدهی انرژی پیل سوختی دارد.

مهدی صدرجهانی، محقق دانشگاه صنعتی امیرکبیر و مجری رساله دکتری تحت عنوان «بررسی هدایت یونی در غشای تبادل یون بر پایه سازه های نانولیفی آرایش یافته SPEEK (پلی اتراترکتون سولفونه شده) با قابلیت کاربرد در پیل سوختی» اظهار کرد: تامین انرژی و حفظ محیط زیست، یکی از مشکلات پیش روی جامعه بشری در قرن 21 است.
وی افزود: طبق اطلاعات آژانس بین المللی انرژی در سال 2011 میلادی، تقاضای جهانی برای انرژی، بین سال های 2009 تا 2035 میلادی افزایش چشمگیر 40 درصدی خواهد داشت و سوخت های فسیلی (زغال سنگ، گاز طبیعی و نفت خام) منابع اولیه تامین انرژی به شمار می روند.
صدرجهانی با بیان اینکه این منابع محدوده بوده و بازتولید آنها میلیون ها سال طول می کشد، افزود: تولید، انتقال و استفاده از این منابع طبیعی مخاطرات زیست محیطی را در پی دارد. احتراق ناشی از سوخت های فسیلی نه تنها آلاینده های هوا از قبیل اکسید گوگرد و فلزات سنگین تولید می کند؛ بلکه گازهای گلخانه ای ناشی از سوخت آنها منجر به تغییرات آب و هوای جهانی و افزایش دمای زمین خواهد شد.
وی حوزه انرژی و محیط زیست را مهم دانست و با تاکید بر توسعه فناوری و وسایل تبدیل انرژی پاک ادامه داد: پیل سوختی، از جمله وسایل تبدیل انرژی پاک به شمار می رود که تا زمان تغذیه شدن توسط سوخت، انرژی شیمیایی را پیوسته به انرژی الکتریکی و مقداری حرارت تبدیل می کند؛ خروجی این وسیله الکتروشیمیایی طی فرآیند تبدیل انرژی، آب است که آن را تبدیل به یه یک فناوری دوستدار محیط زیست کرده است.
این محقق با بیان اینکه یکی از اجزای مهم در هر پیل سوختی، غشای تبادل پروتون است که به عنوان قلب پیل شناخته می شود، گفت: غشای تبادل پروتون، به عنوان بستری برای هدایت پروتون (یون های H+) و جداکننده واکنشگرها درون پیل عمل می کند که بهبود عملکرد آن نقش بسزایی در افزایش بازدهی انرژی پیل سوختی دارد.
وی افزود: ازاین‌رو، در پژوهش حاضر با مهندسی ساختار غشاهای تبادل پروتون بر پایه نانولیف هادی پروتون و استفاده از مفهوم هیبریدی برای همپوشانی نقاط ضعف مواد یونومری، گامی جهت بهبود هدایت پروتونی در غشاهای تبادل پروتون برداشته شد.
به گفته صدرجهانی، در میان مواد نانومقیاس، نانوالیاف با ویژگی‌های جالب توجه می‌تواند بستر مناسبی برای هدایت پروتون باشد؛ که با استفاده از روش الکتروریسی امکان تولید نانوالیاف و کنترل روی مورفولوژی، نظم قرارگیری در ساختار سه بعدی و اجزا تشکیل دهنده آنها وجود دارد.
این محقق با اشاره به روند پروژه خود خاطرنشان کرد: سازه‌های نانولیفی با آرایش‌های نانوالیاف متفاوت تصادفی و موازی شده در صفحه غشا از نانوالیاف الکتروریسی شده پلی‌اتراترکتون سولفونه شده (SPEEK) با قابلیت هدایت پروتون تهیه شده و رفتار انتقال پروتون این ساختارها ارزیابی و مدل‌سازی شد.
صدرجهانی ادامه داد: علاوه بر این، از آنجا که راستای عبور یون از میان غشا در پیل سوختی (راستای ضخامت غشا) اهمیت بسزایی در هدایت پروتونی دارد، غشاهای کامپوزیت نانولیفی با نانوالیاف هادی پروتون آرایش یافته در راستای عبور (عمود بر صفحه غشا) به عنوان یک غشای نانولیفی جدید ساخته و رفتار انتقال پروتون آنها نیز بررسی شدند.
وی با اشاره به هدف این طرح بیان داشت: هدف اصلی این پژوهش ارتقای عملکرد هدایت پروتونی در غشاهای تبادل پروتون نانولیفی بود که نتایج بدست آمده از نمونه های آزمایشگاهی و مدل های ارائه شده در این مطالعه، به خوبی اثر مثبت آرایش یافتگی موازی نانوالیاف هادی پروتون درون ساختار سه بعدی غشا را روی بهبود هدایت پروتونی نشان داد.
صدرجهانی با اشاره به یکی از نتایج طرح افزود: افزایش میزان موازی شدن نانوالیاف درون ساختار سه بعدی، منجر به بهبود هدایت پروتونی 67 درصدی نسبت به نمونه با آرایش تصادفی نانوالیاف شد.
وی عنوان کرد: علاوه براین، اندازه گیری هدایت پروتونی از میان صفحه در دمای محیط و رطوبت نسبی 100درصد برای نمونه جدید ساخته شده در این پژوهش نشان داد قرار گرفتن نانوالیاف هادی پروتون SPEEK در راستای ضخامت یا عبور می تواند منجر به بهبود قابل ملاحظه 8/1-7/0 برابری هدایت پروتونی نسبت به نمونه های فیلم مانند SPEEK گزارش شده در سایر مطالعات شود که متداول به عنوان غشای تبادل پروتون در کاربردهای پیل سوختی به کار گرفته شده است.
به گفته وی این غشا از هدایت پروتونی مناسبی ( 98.68 mS/cm) جهت کاربرد در پیل سوختی برخوردار است که قابل مقایسه با غشای تجاری نفیون است.
وی ادامه داد: پژوهش حاضر، از جنبه های کسب فناوری، ارتقای مرزهای دانش و بهبود ویژگی محصول حائز اهمیت است. در این مطالعه، فناوری تولید غشای تبادل پروتون برپایه نانوالیاف آرایش یافته در راستای عبور به دست آمد و غشای کامپوزیت نانولیفی جدید طی چند مرحله مختلف تهیه شد. در ساخت این غشا از نانوالیاف هادی پروتون SPEEK، ماده محافظتی و پرکننده لایه نانولیفی و ماده اتصال دهنده لایه های مختلف استفاده شده است.
این محقق دانشگاه صنعتی امیرکبیر اظهار کرد: وجه تمایز این غشا با تمام غشاهای تبادل پروتون نانولیفی گزارش شده در مطالعات مختلف این است که در آن نانوالیاف از آرایش یافتگی در راستای ضخامت غشا برخوردار هستند در صورتی که در سایر غشاها، نانوالیاف در صفحه غشا آرایش پیدا کرده اند.
وی گفت: روابط ارائه شده در این پژوهش برای پیش بینی هدایت پروتونی بر مبنای مدل شبکه لیفی و مکانیک تماسی می تواند به ارتقای مرزهای دانش در حوزه غشاهای تبادل پروتون نانولیفی کمک کرده و جوابگوی سوالات پیش رو برای رفتار انتقال پروتون در سازه نانولیفی هادی پروتون و غشاهای تشکیل شده از آنها باشد.
صدرجهانی اظهار کرد: از منظر بهبود ویژگی نیز آرایش یافتگی نانوالیاف در صفحه غشا و به خصوص زمانیکه در راستای ضخامت غشا قرار می گیرند، با افزایش تعداد مسیر و کاهش طول مسیر برای انتقال پروتون منجر به بهبود هدایت پروتونی شده است که پارامتری مهم در پیل سوختی به شمار می رود. علاوه بر این، نانوالیاف الکتروریسی شده رطوبت محتوی بیشتر، جدایی فاز بهتر و بخش های نیمه بلوری کمتری درون ریزساختار خود نسبت به نمونه فیلم مانند دارند که یک مزیت مهم از منظر تسهیل انتقال پروتون است.
وی تاکید کرد: نتایج حاصله از این پژوهش را می توان در ارائه روشی برای بهبود هدایت پروتونی غشای تبادل پروتون مورد استفاده در پیل سوختی مد نظر قرار داد که یکی از وسیله های تولید انرژی پاک است. از طرف دیگر استفاده از نانوالیاف در ساختار غشاهای تهیه شده، پتانسیل فناوری نانو را در بهبود عملکرد غشای تبادل پروتون نشان می دهد.
صدرجهانی با اشاره به معرفی ویژگی های طرح گفت: استفاده از نانوالیاف الکتروریسی شده به عنوان بستری برای هدایت پروتون، آرایش دادن نانوالیاف هادی پروتون در راستای ضخامت یا عبور غشا، ارائه مدل تئوری برای پیش بینی هدایت پروتونی سازه نانولیفی و همخوانی مناسب آن با نتایج آزمایشگاهی، قابل مقایسه بودن هدایت پروتونی غشای تبادل پروتون نانولیفی بدست آمده در این پژوهش با غشای تجاری نفیون ویژگی های این طرح محسوب می شود. نمونه داخلی و خارجی برای غشای تبادل پروتون کامپوزیتی برپایه نانوالیاف آرایش یافته در راستای عبور وجود ندارد.
وی با اشاره به مزیت های رقابتی طرح اظهارداشت: ارائه ریزساختار مناسب برای انتقال پروتون (جدایی فاز بهتر و بخش های نیمه بلوری کمتر نانوالیاف الکتروریسی شده SPEEK نسبت به نمونه متداول فیلمSPEEK )، بهبود هدایت پروتونی با کنترل نحوه آرایش نانوالیاف درون ساختار سه بعدی غشا از مزیت های این طرح به شمار می رود. از نتایج این رساله دکتری می توان به عنوان غشای تبادل پروتون در پیل سوختی برای تأمین انرژی پاک استفاده کرد.
این رساله دکتری با راهنمایی دکتر علی اکبر قره آقاجی و به مشاوره دکتر مهران جوانبخت، اساتید دانشگاه صنعتی امیرکبیر انجام گرفته است. تاکنون دو مقاله آی اس آی/ ISI از این پژوهش منتشر شده و مقالات مربوط به سایر بخش های پژوهش در حال آماده سازی است.

منبع :



مشاوره تلفنی انتخاب رشته کنکور 97

با رتبه ام در کنکور 97 احتمال دارد در چه رشته و دانشگاهی قبول شوم؟
پاسخ به سوال های شما درباره سهمیه ها ،پردیس ،شبانه ، غیر انتفاعی و ...

از طریق تلفن ثابت در سراسر کشور بدون پیش شماره
با شماره 9099071219 تماس بگیرید
پاسخگویی 24 ساعته