روشی تازه برای پاکسازی خودکار پیل‌های سوختی از آسیب گوگرد!

به گزارش مجله خبری نگار/ایسکانیوز؛ پیل‌های سوختی دستگاه‌های الکتروشیمیایی هستند که انرژی شیمیایی سوخت را به طور مستقیم به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کنند. برخلاف باتری‌ها که تنها برق را ذخیره می‌کنند، پیل‌های سوختی تا زمانی که سوخت و هوا تأمین شوند، می‌توانند به طور پیوسته برق تولید کنند.

برای این نوع پیل‌ها، سوخت‌های متنوعی در حال بررسی است؛ اما شیمی دقیق واکنش‌های آزاد کننده برق در آنها پیچیده و هنوز به طور کامل درک نشده است. خلاء‌های دانشی در این حوزه از مهم‌ترین موانع توسعه فناوری‌های انرژی پاک با قابلیت استفاده از سوخت‌های متنوع به شمار می‌روند. برای مثال، پیل‌های سوختی اکسید جامد در معرض پدیده‌ای موسوم به «مسمومیت گوگردی» قرار دارند؛ وضعیتی که در آن ناخالصی‌های جزئی گوگرد به‌سرعت عملکرد سامانه را تخریب می‌کند.

خودتمیزشوندگی فعال شده با بخار

اکنون پژوهشگران دانشگاه یوتا در مطالعه‌ای جدید، سازوکاری پیش‌تر ناشناخته و مبتنی بر بخار را برای خودتمیز شوندگی کشف کرده‌اند که تحمل‌پذیری گوگرد را در آند‌های پیل سوختی اکسید جامد (SOFC) به طور چشمگیری افزایش می‌دهد.

چوانچنگ دوان، نویسنده ارشد این مطالعه و دانشیار مهندسی شیمی، گفت: این پژوهش راهبرد طراحی جدیدی برای مواد الکتروشیمیایی مقاوم به گوگرد ارائه می‌دهد. ما نشان می‌دهیم که کاتالیزور‌ها را می‌توان نه‌تنها برای تحمل گوگرد، بلکه برای خودپاکسازی فعال در حین کار مهندسی کرد.

یافته‌ها نشان می‌دهد افزودن عنصر رودیم (Rh) به آند‌های مبتنی بر نیکل در SOFC منجر به تشکیل نانوذراتی می‌شود که به طور فعال در برابر مسمومیت گوگردی مقاومت می‌کنند و در مواجهه با بخار به صورت خودکار بازسازی می‌شوند. این کشف نخستین شواهد مستقیم را برای توضیح این موضوع فراهم می‌کند که چرا آند‌های اصلاح شده با رودیم در شرایط سوخت‌های آلوده به گوگرد عملکرد خود را حفظ می‌کنند. درک بهتر این سازوکار می‌تواند به کاربردپذیری این پیل‌ها در مقیاس واقعی کمک کند.

رودیم چگونه با گوگرد مقابله می‌کند؟

ناخالصی‌های گوگردی مانند سولفید هیدروژن (H₂S)، حتی در مقادیر بسیار کم، به‌سرعت آند‌های متداول نیکل‌پایه در SOFC را غیرفعال می‌کنند؛ زیرا گونه‌های پایدار نیکل–گوگرد (Ni–S) تشکیل می‌شود که به طور فیزیکی سطح آند را مسدود می‌کند.

پژوهشگران با استفاده از ترکیبی پیشرفته از طیف‌سنجی فروسرخ درجا در دمای بالا، تحلیل ترموشیمیایی و آزمون‌های تشخیصی الکتروشیمیایی نشان دادند که رودیم به طور بنیادی شیمی سطح آند را تغییر می‌دهد. افزودن رودیم پیوند Ni–S را تضعیف کرده و هم‌زمان مولکول‌های آب را فعال می‌کند تا گونه‌های هیدروکسیل واکنش‌پذیر تولید شود؛ این گونه‌ها گوگرد جذب‌شده را به دی‌اکسید گوگرد فرّار اکسید می‌کنند که به طور طبیعی از سطح خارج می‌شود.

در نتیجه، پیل‌های SOFC مجهز به این نانوذرات کاتالیزوری Ni-Rh هنگام استفاده از سوخت حاوی کمتر از ۱۰۰ بخش در میلیون آلودگی H₂S، بیش از سه برابر توان خروجی بالاتر و مقاومت پلاریزاسیون به مراتب پایین‌تری نسبت به آند‌های متداول نیکل‌پایه نشان دادند. نکته قابل توجه اینکه این کاتالیزور در شرایط عملیاتی واقعی، خودبازسازی را نشان داد و نیاز به حذف خارجی گوگرد یا پروتکل‌های پیچیده بازسازی را از میان برد.

یوئه بائو، دانشجوی تحصیلات تکمیلی در آزمایشگاه پژوهش مواد برای انرژی پایدار دانشگاه یوتا، گفت: فراتر از SOFC ها، این یافته‌ها بینش‌هایی با قابلیت انتقال گسترده برای کاتالیز در دما‌های بالا، سامانه‌های انرژی الکتروشیمیایی و فناوری‌های تولید برق با انعطاف‌پذیری سوخت ارائه می‌دهد؛ به‌ویژه در کاربرد‌هایی که شامل گاز طبیعی، بیوگاز، گاز سنتز یا سایر سوخت‌های حاوی گوگرد هستند.