موفقیت محققان در طراحی مواد کوچک سه‌بعدی/ پیل‌های سوختی کارآمدتر می‌شوند

به گزارش مجله خبری نگار از تارنمای فیز، محققان دانشکده شیمی در دانشگاه نیوساوث‌ولز نشان دادند که می‌توان ساختار‌های سلسله مراتبی به هم پیوسته را به صورت سه‌بعدی در مقیاس‌نانو درآورد تا دارای خصوصیات شیمیایی و فیزیکی منحصر به فردی، برای پشتیبانی از واکنش تبدیل انرژی شوند.

ریچارد تیلی مدیر واحد میکروسکوپ الکترونی در دانشگاه نیوساوث‌ولز و نویسنده ارشد این مطالعه در این زمینه گفت: دانشمندان تا به امروز توانسته‌اند ساختار‌های سلسله مراتبی را در مقیاس میکرومتر یا مولکولی ایجاد کنند، اما برای به دست آوردن سطح دقت لازم برای ساخت در نانو، ما نیاز به یک روش کاملاً جدید از پایین به بالا داریم.

محققان از سنتز شیمیایی استفاده کردند، رویکردی که ترکیبات شیمیایی پیچیده‌ای را از نمونه‌های ساده‌تر ایجاد می‌کند. آن‌ها توانستند با دقت رشد شاخه‌های نیکل کریستال ساختاری ۶ ضلعی را بر روی هسته‌های ساختاری کریستال مکعب رشد دهند تا ساختار‌های سلسله مراتبی سه‌بعدی با ابعاد حدود ۱۰-۲۰ نانومتر ایجاد کنند.

به‌دلیل اتصال مستقیم هسته فلزی و شاخه‌ها، نانوساختار سه‌بعدی به هم پیوسته حاصل دارای مساحت سطحی بالایی است و از رسانایی بالایی نیز برخوردار است و همچنین این سطح می‌تواند از نظر شیمیایی اصلاح شود. این خصوصیات موجب می‌شود که به‌عنوان یک پشتیبانی برای الکتروکاتالیست در واکنش تکامل اکسیژن، ایده‌آل باشد.

خواص این نانوساختار با استفاده از تجزیه و تحلیل الکتروشیمیایی از میکروسکوپ‌های الکترونی پیشرفته ارائه شده توسط واحد میکروسکوپ الکترونی مورد بررسی قرار گرفت.

لوسی گلواگ نویسنده اصلی مقاله مربوط به این پروژه اظهار داشت: رشد این مواد به صورت مرحله به مرحله است، برخلاف آنچه که ما در سطح میکرومتر انجام می‌دهیم و در آن از مواد توده‌ای شروع کرده و به مقیاس پایین‌تر می‌رویم. این روش جدید به ما امکان می‌دهد کنترل بسیار خوبی بر شرایط داشته باشیم و در نهایت به کاتالیزوری با خواص منحصر به‌فرد برسیم.

در کاتالیزور‌های معمولی که اغلب کروی هستند، بیشتر اتم‌ها در وسط کره گیر می‌کنند. اتم‌های بسیار کمی در سطح وجود دارد، به این معنی که بیشتر مواد هدر می‌روند، زیرا نمی‌توانند در محیط واکنش شرکت کنند.

تیلی مدیر واحد میکروسکوپ الکترونی در دانشگاه نیوساوث‌ولز تصریح کرد: این نانوساختار‌های سه‌بعدی جدید برای عرضه اتم‌های بیشتر در محیط واکنش طراحی شده‌اند که می‌تواند کاتالیست کارآمدتر و مؤثرتر برای تبدیل انرژی ارائه کنند.

وی افزود: اگر این مورد در پیل سوختی یا باتری استفاده شود، داشتن سطح بالاتر برای کاتالیزور به این معنی است که واکنش هنگام تبدیل هیدروژن به برق کارآمدتر خواهد بود.

گلوگ هم در این زمینه تاکید کرد: این بدان معنی است که از مواد کمتری برای واکنش استفاده می‌شود. این کار در نهایت هزینه‌ها را نیز کاهش داده و باعث تولید انرژی پایدارتر شود و در نهایت وابستگی ما را به سوخت‌های فسیلی کم می‌کند.

متن کامل این مقاله در نشریه Science Advances منتشر شده است