توسعه باتری هوای-زینک با کارایی بالا برای تولید ایمن هیدروژن
محققان سیستم جدیدی برای تولید هیدروژن ایجاد کرده‌اند که بر محدودیت‌های روش‌های سبز فعلی غلبه می‌کند.
سیستم تیم موسسه پیشرفته علوم و فناوری کره (KAIST) از فرآیند شکافت آب با الکترولیت محلول در آب استفاده می‌کند تا تولید پایدار هیدروژن را تضمین کند و در عین حال خطر آتش‌سوزی را کاهش دهد.
این گروه سیستمی ایجاد کردند که با استفاده از باتری هوای-زینک با کارایی بالا، هیدروژن را به صورت مستقل تولید می‌کند.
سیستم هیدروژنی مبتنی بر باتری هوای-زینک از کاتالیزوری با فعالیت بالا و دوام طولانی برای سه واکنش کلیدی در دماهای پایین و با اجرای ساده استفاده می‌کند.
محققان ادعا می‌کنند که کاتالیزور جدید یک "پیشرفت جدیدی است که می‌تواند بر محدودیت‌های تولید هیدروژن سبز فعلی غلبه کند"، جئونگ کو کانگ، استاد در بخش علوم و مهندسی مواد در KAIST، در بیانیه‌ای گفت.
چالش کارایی هیدروژن
هیدروژن (H₂) به دلیل تراکم انرژی بالا (142 MJ/kg) که سه برابر بیشتر از سوخت‌های فسیلی مانند بنزین و دیزل است، به عنوان یک سوخت پاک شناخته می‌شود. اما روش‌های تولید متداول هیدروژن منجر به انتشار زیاد دی‌اکسید کربن (CO₂) می‌شوند.
برای تولید هیدروژن سبز از شکافت آب با استفاده از منابع انرژی تجدیدپذیر مانند انرژی خورشیدی و باد که اغلب به دلیل تغییرات دما و هوا مشکلاتی در کارایی دارند، بهتر است. سلول‌های هوا که می‌توانند ولتاژی برابر یا بیشتر از 1.23 V برای شکافت آب فراهم کنند به عنوان منابع توان دیگر برای غلبه بر این دشواری در حال بررسی هستند. برای به دست آوردن ظرفیت لازم، این سلول‌های هوا باید از کاتالیزورهای فلزات گرانبها استفاده کنند و شارژ و تخلیه مطول باعث کاهش سریع کارایی مواد کاتالیزوری می‌شود.
تیم ادعا می‌کند که این محدودیت نیاز به جایگزین‌های قابل‌اعتمادتر و مقرون‌به‌صرفه‌تر در جستجوی تولید هیدروژن سبز پایدار و مؤثر را تاکید می‌کند.
"بنابراین، توسعه کاتالیزوری که برای واکنش‌های شکافت آب (تولید اکسیژن، تولید هیدروژن) مؤثر باشد و ماده پایداری برای واکنش‌های شارژ و تخلیه مکرر (کاهش اکسیژن، تولید اکسیژن) الکترود باتری هوای-زینک ضروری است،" محققان در یک
بیانیه
گفتند.
نوآوری در کاتالیزور کارآمد
در کار جدید خود، محققان KAIST یک ماده کاتالیزور غیر گرانبها جدید (G-SHELL) با استفاده از ساختار لایه‌لایه ساندویچی گرافین توسعه داده‌اند.
پایه G-SHELL یک چارچوب ایمیدازول زئولیتی (ZIF) در سطح اکسید گرافین (GO) است. این دارای ساختار هسته توخالی-پوسته با لایه‌های کاتالیزوری متمایز است: هسته‌ای از سولفید کبالت (II, III) (Co₃S₄) که به تکامل اکسیژن (OER) و لایه‌های پوسته‌ای از دی‌سولفید مولیبدن (MoS₂) که به تکامل هیدروژن (HER) و فرآیندهای کاهش اکسیژن (ORR) یاری می‌رساند.
فرم سه‌بعدی توخالی انتقال یون را تسریع می‌کند، در حالی که لایه‌های رسانای گرافین بین هسته و پوسته به عنوان کانال‌های الکترونی عمل می‌کنند. تصاویر و تحلیل پیشرفته ساختار آن را تایید می‌کنند و میدان‌های الکتریکی داخلی الکترون‌ها را برای واکنش‌های سریع‌تر انتقال می‌دهند.
در نهایت، G-SHELL از یک باتری هوای-زینک قابل شارژ (ZAB) برای تأمین قدرت سیستم شکافت آب استفاده می‌کند. این سیستم برای واکنش‌های متعدد کارایی خوبی نشان می‌دهد، هوا را به هیدروکسیدها در طول تخلیه تبدیل می‌کند و در طول شارژ اکسیژن تولید می‌کند.
تیم تحقیقاتی تأیید کرد که کاتالیزوری که برای باتری هوا طراحی شده است دارای تراکم انرژی 797Wh/kg است که پنج برابر بیشتر از باتری‌های موجود است. تحت شارژ مکرر، عملیات طولانی‌مدت مستمر با خروجی بالای 275.8 mW/cm² را حفظ می‌کند.
باتری هوای-زینک به عنوان روشی دوستدار محیط زیست برای تولید هیدروژن محسوب می‌شود زیرا از الکترولیت محلول در آب استفاده کرده و ضد آتش‌سوزی است. طبق گفته محققان، می‌توان از آن به عنوان دستگاه ذخیره انرژی نسل بعدی به همراه سیستم الکترولیز آب استفاده کرد.
جزئیات تحقیقات تیم در ژورنال Advanced Science منتشر شد.
