پيل‌هاي سوختي مدرن اين قابليت را دارند تا صنعت حمل ‌و نقل را متحول کنند. وسايل نقليه‌ي داراي پيل سوختي مانند وسايل نقليه‌ي الکتريکي باتري‌دار نيروي محرکه‌ي خود را از موتورهاي الکتريکي مي‌گيرند. پيل‌هاي سوختي مورد استفاده در اين خودروها، ابزارهاي الکتروشيميايي‌اي هستند که انرژي شيميايي يک سوخت را بدون احتراق و با بازده بالايي، مستقيماً به انرژي الکتريکي تبديل مي‌کنند.

يکي از گونه‌هاي ممتاز پيل سوختي که مشخصاً براي کاربردهاي حمل‌ و نقل ابداع شده‌است، پيل سوختي غشايي مبادله‌ي پروتون (PEMFC) است که پيل سوختي غشايي الکتروليتِ پوليمري نيز ناميده مي‌شود. اين پيل‌هاي سوختي از طريق واکنش اکسايش الکتروشيميايي هيدروژن و کاهش الکتريکي اکسيژنِ هوا راه‌اندازي مي‌شوند. اين پيل‌هاي سوختي در دماهاي نسبتاً پايين (کمتر از ۱۰۰ درجه‌ي سانتي‌گراد) کار کرده و به همين دليل، به کاتاليست‌هايي نياز دارند که در پتانسيل بالا، جريان‌هاي سودمندي توليد کنند (اين نياز در الکترود کاتد شديدتر است). هم‌اکنون در اکثر نمونه‌هاي آزمايشي PEMFCها از الکتروکاتاليست‌هاي پلاتيني استفاده مي‌شود، البته قيمت اين فلز به‌دليل عرضه‌ي محدود آن، گران و ناپايدار است و اين امر، يکي از موانع اصلي در تجاري‌سازي PEMFCها به‌شمار مي‌رود.

گرچه فناوري نانو با استفاده از نانوکامپوزيت‌ها، الکتروکاتاليست‌هاي غير پلاتيني کارامدتر و غشاهاي پردوام‌تر و مقاوم‌ در برابر حرارت، نويدبخش ظهور مواد دوقطبي ارزان در آينده‌ي نزديک است؛ همچنان پلاتين يکي از موانع موجود بر سر راه تجاري‌سازي PEMFCها محسوب مي‌شود. لذا وزارت انرژي ايالات متحده (DOE) به‌منظور استفاده از پلاتين در PEMFCها براي بخش خودروسازي حداکثرهايي را تعيين کرده‌است.

دکتر جين‌پول دودلت که همراه با گروهش، اين روش را ابداع کرده‌اند، مي‌گويد: «به‌منظور رسيدن به اين حداکثر‌ها، لازم است تا عملکرد کاتاليست‌هاي پلاتيني پيل سوختي را ارتقا دهيم؛ به‌ويژه در کاتد که واکنش کاهش اکسيژن (ORR) در آن کند است، مي‌توان اين کار را با ادغام پلاتين با يک يا چند فلز ديگر انجام داد. از سوي ديگر، تحقيق ما نشان داده‌است که مي‌توان عملکرد پلاتين در الکتروکاتاليزکردنِ ORR را با استفاده از نانوسيم‌هاي پلاتيني به جاي نانوذرات پلاتيني متداول، ارتقا داد.»

استفاده از نانوکره‌هاي کربني به‌عنوان زيرلايه موجب شده‌است تا اين روش، روش مقرون‌به‌صرفه‌اي براي رشد نانوسيم‌هاي پلاتيني محسوب شود. نانوساختارهاي حاصله (که در آنها يک نانوکره‌ي دوده در مرکز قرار گرفته و نانوسيم‌هاي پلاتيني به صورت شعاعي از روي سطح آن رشد مي‌کنند) در ORR، نسبت به يک کاتاليست پلاتين/کربن مدرن (ساخته‌شده از نانوذرات پلاتين) عملکرد کاتاليستي بهتري دارند.

اين محققان تصديق مي‌کنند که سازوکارهاي رشد نانوسيم‌هاي شاخه‌‌شکلِ پلاتيني کاملاً شناخته‌شده نيست؛ با اين حال، مي‌توان طول اين نانوسيم‌ها را از طريق تنظيم زمان کاهشِ مواد اوليه‌ي پلاتيني، کنترل کرد، همچنين مي‌توان چگالي نانوسيم‌ها را بر روي نانوکره‌هاي کربني از طريق تنظيم نسبت وزن مواد اوليه‌ي پلاتيني به وزن کربن، کنترل نمود.

دودلت افزود: «ما مشاهده کرديم که کاتاليست نانوسيمي پلاتيني ما از نظر فعاليت جرمي در مقايسه کاتد تجاري، ۵۰ درصد فعال‌تر است، اين در حالي است که مساحت سطح پلاتين در کاتاليست نانوسيمي، ۵۰ درصد کمتر از مشابه تجاري خود بود. با در نظر گرفتن هر دو عامل، در محاسبات نشان داده شد که در شرايط يکسان، عملکرد کاتاليست نانوسيمي در ORR، سه ‌برابر بهتر از عملکرد کاتد تجاري است.» وي گفت که در آينده، نانوسيم‌هايي از جنس آلياژهاي پلاتين (ادغام‌شده با آهن، مس يا نيکل) را مورد بررسي قرار خواهند داد.

نتايج اين تحقيق در نشريه‌ي Advanced Materials به چاپ رسيده‌است.

منبع:ستاد ویژه توسعه فناوری نانو