سنتر نانوساختارهای جدید مشتق شده از چهارچوب فلز- آلی، شناسایی و کاربرد در ابرخازن‌ها و پیل‌های سوختی

چکیده طرح

در این طرح پژوهشی در ابتدا با استفاده از لیگاند چند دندانه آورین تری کربوکسیلیک اسید (به عنوان فاصله انداز بین راس‌های ساختار چهار چوب فلز- آلی) و ترکیب تک فلزی یا چند فلزی، فلزات واسطه‌ایی مانند کبالت، نیکل و یا مس (به عنوان راس‌های ساختار چهار چوب فلز- آلی)، ترکیب مورد نظر سنتز می‌شود. سپس مقدار لیگاند، فلز واسطه، نوع حلال و دمای واکنش بهینه می‌شود و بهترین ساختار متخلخل و پایدار بعنوان نانومواد فعال، در ساخت الکترود در پیل‌های سوختی و ابرخازن‌ها، نظیر الکترود جهت انجام واکنش آزاد سازی هیدروژن در پیل سوختی، الکترود کار در سیستم سه الکترودی ابرخازنی، الکترود منفی با استفاده از کربن فعال و کربن بلک در سیستم دو الکترودی ابرخازنی و ساخت سل با استفاده از الکترود مثبت و منفی تولیدی و بررسی توانایی ابرخازنی استفاده خواهد شد

اهداف

• تهیه ماده الکتروفعال مناسب و ارزان، به منظور استفاده در پیل‌های سوختی و ابرخازن‌ها.
• ارائه روش ساده و مقرون به صرفه جهت ساخت الکترود پیل‌های سوختی و ابرخازن‌ها.
• استفاده از پیکربندی نامتقارن و افزایش پنجره پتانسیل در الکترولیت انتخابی.
• استفاده از ساختار چهارچوب فلز- آلی در بهبود توان الکتروکاتالیستی و ذخیره بار ابرخازن.
• استفاده از بستر نانوکربنی جهت بهبود فعالیت مواد سنتز شده بر پایه چهار چوب فلز – آلی.

شرح طرح و دستاوردها به زبان مردمی

با توجه به افزایش مداوم جمعیت کره زمین، تقاضای انرژی در سال‌های آینده به بیش از مقدار مصرف کنونی خواهد رسید. این مسئله منجر به افزایش مصرف سوخت‌های فسیلی شده و به میزان زیادی آب و هوای زمین را تحت تأثیر قرار می‌دهد. به همین دلیل در سال‌های اخیر، مطالعه تولید و ذخیره انرژی‌های تجدید پذیر مورد توجه قرار گرفته است. لذا در این طرح تحقیقاتی سعی بر آن شد تا با بکارگیری مواد الکترودی جدید و کارا به این مهم پرداخته شود. از آنجا که مواد تجاری مورد استفاده در واکنش آزاد سازی هیدروژن (پلاتین و ترکیبات بر پایه پلاتین) گران و کمیاب هستند، لازم است مواد جدید با کارایی بالا و قیمت مناسب سنتز شوند و بعنوان جایگزین آن‌ها مورد بررسی قرار گیرند. بنابراین هدف کلی این طرح توسعه و کاربرد مواد جدید با خصوصیات ویژه، به عنوان الکتروکاتالیست مطابق بررسی های انجام شده، در ۲۵ سال آینده، تقاضا برای انرژی ۳۵% افزایش خواهد یافت. این مسئله فشارهای زیادی را بر منابع انرژی‌های تجدیدناپذیر وارد خواهد کرد و به میزان زیادی آب و هوای زمین را تحت تأثیر قرار خواهد داد. با توجه به این امر، در سال‌های اخیر تولید انرژی تجدید پذیر سبز و ذخیره انرژی تولید شده از جمله مهم‌ترین مسائلی هستند که ذهن بسیاری از دانشمندان را به خود مشغول کرده است. پیل‌های سوختی، ابرخازن‌ها و باتری‌های یون لیتیوم با چگالی انرژی و توان بالا، با قابلیت جابه جایی و چرخه عمر مطلوب، هسته‌های فناوری آینده هستند. بنابراین هدف این پژوهش معرفی نانوساختارهای جدید ارزان جهت تولید و ذخیره انرژی تجدید پذیر می باشد. واکنش‌های تولید انرژی پیل‌های سوختی در واکنش آزادسازی هیدروژن و ماده الکترود ذخیره کننده انرژی در ابرخازن‌ها بوده است. بنابراین از ساختار چهار چوب فلز- آلی مشتق شده استفاده شده است. چارچوب‌های فلز-آلی ترکیباتی بلوری ولی با چگالی پایین هستند که دارای دو واحد یون فلزی یا کلاستر به عنوان گره و لیگاندهای آلی به عنوان اتصال دهنده هستند. اکثر لیگاند‌هایی که در شیمی چهارچوب‌های فلزی-آلی استفاده می‌شوند، لیگاند‌هایی با پایه بی‌پیریدینی یا کربوکسیلاتی هستند. ساختارهای مشتق شده از چهارچوب‌های فلز- آلی به دلیل هدایت الکتریکی و پایداری شیمیایی و حرارتی بالا مورد توجه بسیار قرار گرفته‌اند. برای تولید و ذخیره الکتروشیمیایی انرژی، نانو ساختارهای مشتق شده دارای مزیت‌های بیش‌تری نسبت به ساختارهای اولیه چارچوب فلز-آلی دارند.

ساختار دو فلزی چهارچوب‌های فلزی-آلی اثر هم‌افزایی مناسبی را جهت تقویت ظرفیت خازنی ویژه دارد، به همین دلیل از چهار چوب فلز- آلی مشتق شده دو فلزی استفاده شده است. همچنین اثر الکترولیت در تقویت ظرفیت خازنی ویژه مورد بررسی قرار گرفت. به علت حضور یون‌های برگشت پذیر فری-فروسیانات در الکترولیت پتاسیم هیدروکسید و مشارکت آن‌ها در انجام واکنش‌های فارادی در سطح الکترود، ذخیره بار در الکترود افزایش یافته است که این امر موجب تقویت ظرفیت خازنی ویژه شده است. این امر بیان‌گر نقش مثبت فری-فروسیانات در قدرت ابرخازن است. جهت بررسی کاربرد عملی ماده الکترودی تهیه شده، از سیستم ابرخازن نامتقارن بهره گرفته شده است که استفاده از پیکربندی نامتقارن منجر به افزایش عمر چرخه‌ای سیستم می‌گردد. جهت نمایش کاربرد عملی ابرخازن نامتقارن NiCo2O4//AC دو عدد از آن‌ها به صورت سری به یکدیگر متصل شدند و توانستند ۲ عدد لامپ LED آبی (۸ میلی متری، ۳ ولت)، ۲ عدد لامپ LED سبز (۸ میلی متری ۷/۲ ولت) و ۲ عدد لامپ LED زرد (۸ میلی متری، ۲ ولت) را به مدت مجموع تقریباً ۶۰ دقیقه روشن نگه دارند. در ادامه این طرح تحقیقاتی، توانایی چهار چوب فلز- آلی مشتق شده بعنوان الکتروکاتالیست واکنش آزاد سازی هیدروژن مورد بررسی قرار گرفت. چهار چوب فلز- آلی مشتق شده NiCo2O ۴ پتانسیل آغازین ۱۰/۰- ولت (نسبت به RHE ) را برای آزادسازی هیدروژن نشان می‌دهد. همچنین دانسیته جریان mA/cm 0/10- در پتانسیل 17/0- ولت (نسبت به RHE ) تولید شده است. این ساختار پایداری مناسبی طی هزار چرخه پی در پی در محیط اسیدی برای واکنش آزادسازی هیدروژن نشان داد. همچنین از نانوذرات آهن دوپ شده در فسفید-فسفات کبالت-مس در تهیه سوپرخازن نیز استفاده شده است.