به گزارش تجارت نیوز، کاتالیزورها قلب تپنده بسیاری از فناوری‌های مدرن انرژی محسوب می‌شوند. از باتری‌های پیشرفته گرفته تا پیل‌های سوختی هیدروژنی، عملکرد این مواد نقش تعیین‌کننده‌ای در میزان تولید انرژی، مصرف سوخت و بازده کلی سیستم دارد. به همین دلیل، دانشمندان سال‌هاست که به دنبال روش‌هایی برای افزایش کارایی کاتالیزورها هستند. تاکنون بیشتر تحقیقات بر تغییر ساختار شیمیایی یا طراحی مولکولی این مواد متمرکز بوده است، اما اکنون گروهی از پژوهشگران کره جنوبی رویکرد متفاوتی را معرفی کرده‌اند که می‌تواند مسیر توسعه کاتالیزورها را دگرگون کند.
این تیم تحقیقاتی نشان داده است که به جای تغییر ساختار خود کاتالیزور، می‌توان تنها با تنظیم محیط الکتریکی اطراف آن، عملکرد واکنش‌های شیمیایی را به طور چشمگیری بهبود بخشید. نتایج این مطالعه نه تنها برای باتری‌ها و پیل‌های سوختی اهمیت دارد، بلکه می‌تواند در توسعه طیف وسیعی از فناوری‌های انرژی پاک نیز کاربرد داشته باشد.
کشف جدید دانشمندان کره جنوبی برای افزایش راندمان کاتالیزورها
این پژوهش توسط گروهی از محققان به سرپرستی پروفسور سونگ جون هوانگ از دانشگاه POSTECH و پروفسور جایونه ریو از دانشگاه ملی سئول انجام شده است. آن‌ها در تحقیقات خود به این نتیجه رسیدند که تنظیم دقیق میدان الکتریکی اطراف یک کاتالیزور می‌تواند تأثیر قابل توجهی بر عملکرد آن داشته باشد.
در روش‌های مرسوم، پژوهشگران معمولاً برای بهبود عملکرد کاتالیزورها فلز مرکزی آن‌ها را تغییر می‌دهند. فلزاتی مانند آهن، کبالت و نیکل از جمله عناصر رایج در ساخت کاتالیزورها هستند. علاوه بر این، تغییر ساختار مولکولی اطراف فلز مرکزی که با عنوان «لیگاند» شناخته می‌شود نیز یکی دیگر از راهکارهای معمول برای افزایش بازده کاتالیزورها به شمار می‌رود.
اما در این مطالعه، محققان مسیر متفاوتی را انتخاب کردند. آن‌ها بدون تغییر در ساختار شیمیایی کاتالیزور، تنها محیط الکتریکی اطراف آن را دستکاری کردند و به نتایجی دست یافتند که فراتر از انتظار بود.
نقش میدان‌های الکتریکی در بهبود عملکرد واکنش‌ها
پژوهشگران دریافتند که قرار دادن یون‌های دارای بار مثبت یا همان کاتیون‌ها در نزدیکی کاتالیزور، می‌تواند یک میدان الکتریکی موضعی ایجاد کند. این میدان الکتریکی بر نحوه پیشرفت واکنش‌های شیمیایی تأثیر گذاشته و مسیر واکنش را به سمت حالت مطلوب هدایت می‌کند.
تمرکز اصلی این تحقیق بر روی واکنش کاهش اکسیژن یا Oxygen Reduction Reaction (ORR) بود. این واکنش یکی از مهم‌ترین فرآیندهای الکتروشیمیایی در پیل‌های سوختی هیدروژنی و باتری‌های فلز-هوا محسوب می‌شود. در واقع بخش مهمی از فرآیند تولید برق در این سامانه‌ها به عملکرد صحیح و کارآمد این واکنش وابسته است.
سال‌هاست که دانشمندان تلاش می‌کنند راندمان واکنش کاهش اکسیژن را افزایش دهند، زیرا هرگونه بهبود در این فرآیند می‌تواند به کاهش مصرف انرژی، افزایش بازده تولید برق و ارتقای عملکرد تجهیزات ذخیره‌سازی انرژی منجر شود.
افزایش راندمان از ۱۲ درصد به ۵۲ درصد
نتایج آزمایش‌های انجام شده نشان داد که اعمال میدان الکتریکی موضعی توانسته است سهم مسیر مطلوب واکنش را از حدود ۱۲ درصد به ۵۲ درصد افزایش دهد. این افزایش چشمگیر به معنای بیش از چهار برابر شدن سهم مسیر واکنش مؤثر است.
به بیان دیگر، واکنش کاهش اکسیژن در حضور این میدان الکتریکی با راندمان بسیار بالاتری انجام شده و برای پیشبرد فرآیند به انرژی کمتری نیاز داشته است. این موضوع می‌تواند به کاهش تلفات انرژی در سامانه‌های الکتروشیمیایی کمک کند و بهره‌وری تجهیزات را به میزان قابل توجهی افزایش دهد.
اهمیت این دستاورد از آنجا ناشی می‌شود که تمام این بهبودها بدون ایجاد تغییر در ساختار اصلی کاتالیزور حاصل شده‌اند. به همین دلیل، این روش می‌تواند هزینه‌های تحقیق، توسعه و تولید کاتالیزورهای جدید را نیز کاهش دهد.
تحول در فناوری باتری‌های فلز-هوا و پیل‌های سوختی هیدروژنی
واکنش کاهش اکسیژن یکی از مهم‌ترین فرآیندهای موجود در پیل‌های سوختی هیدروژنی است. این سیستم‌ها با استفاده از هیدروژن و اکسیژن، برق تولید می‌کنند و به عنوان یکی از پاک‌ترین فناوری‌های تولید انرژی شناخته می‌شوند.
از سوی دیگر، باتری‌های فلز-هوا نیز برای ذخیره انرژی از اکسیژن موجود در جو استفاده می‌کنند. این باتری‌ها به دلیل چگالی انرژی بالا، یکی از گزینه‌های جذاب برای ذخیره‌سازی انرژی در آینده محسوب می‌شوند.
بهبود عملکرد واکنش کاهش اکسیژن می‌تواند مستقیماً بر راندمان هر دو فناوری تأثیر بگذارد. در نتیجه، باتری‌ها قادر خواهند بود انرژی بیشتری ذخیره کنند و پیل‌های سوختی نیز برق بیشتری با مصرف انرژی کمتر تولید خواهند کرد.
کاربردهای فراتر از ذخیره‌سازی انرژی
به اعتقاد محققان، کاربردهای این فناوری تنها به باتری‌ها و سلول‌های سوختی محدود نمی‌شود. بسیاری از فناوری‌های نوین انرژی پاک برای انجام واکنش‌های شیمیایی پیچیده به کاتالیزورها وابسته هستند.
یکی از مهم‌ترین این حوزه‌ها، تبدیل دی‌اکسید کربن به مواد مفید و همچنین تولید هیدروژن سبز است. اگر بتوان از همین اصل در این فرآیندها استفاده کرد، امکان افزایش راندمان و کاهش هزینه‌های تولید در بسیاری از فناوری‌های زیست‌محیطی فراهم خواهد شد.
این موضوع می‌تواند نقش مهمی در کاهش انتشار گازهای گلخانه‌ای و توسعه اقتصاد کم‌کربن در سال‌های آینده ایفا کند.
تغییر نگاه دانشمندان به طراحی کاتالیزورها
پروفسور سونگ جون هوانگ درباره نتایج این پژوهش اعلام کرد که این مطالعه نشان داده است خواص واکنش‌های شیمیایی را می‌توان بدون تغییر در ساختار کاتالیزور و تنها از طریق کنترل دقیق محیط الکتریکی اطراف آن تنظیم کرد.
به گفته وی، این یافته‌ها رویکرد جدیدی را در مهندسی کاتالیزورها معرفی می‌کنند؛ رویکردی که تمرکز اصلی آن به جای تغییر ساختار مواد، بر بهینه‌سازی شرایط عملیاتی و محیط واکنش است.
هوانگ همچنین تأکید کرد که این پروژه می‌تواند مسیر تازه‌ای برای توسعه نسل آینده باتری‌ها، پیل‌های سوختی و فناوری‌های انرژی پاک مبتنی بر کاتالیزورها ایجاد کند.
دستاورد جدید پژوهشگران کره جنوبی می‌تواند نقطه عطفی در توسعه فناوری‌های ذخیره‌سازی انرژی و تولید برق پاک باشد. آن‌ها موفق شده‌اند بدون تغییر در ساختار کاتالیزور، تنها با ایجاد یک میدان الکتریکی موضعی، راندمان یکی از مهم‌ترین واکنش‌های الکتروشیمیایی را از ۱۲ درصد به ۵۲ درصد افزایش دهند.
این موفقیت نشان می‌دهد که آینده مهندسی کاتالیزورها ممکن است بیش از آنکه به طراحی مواد جدید وابسته باشد، به کنترل دقیق محیط واکنش بستگی داشته باشد. در صورت توسعه و تجاری‌سازی این فناوری، امکان افزایش بهره‌وری باتری‌های فلز-هوا، پیل‌های سوختی هیدروژنی، سامانه‌های تولید هیدروژن سبز و فناوری‌های تبدیل دی‌اکسید کربن فراهم خواهد شد؛ موضوعی که می‌تواند نقش مهمی در تسریع گذار جهانی به سمت انرژی‌های پاک و پایدار ایفا کند.
این مطالعه در مجله معتبر انجمن شیمی آمریکا (Journal of the American Chemical Society) منتشر شده و توجه بسیاری از پژوهشگران حوزه انرژی و مواد پیشرفته را به خود جلب کرده است.
