بررسی انتقادی سنتز، شناسایی و کاربرد کاتالیزگرهای فلز کالکوژنید بسیار کارآمد برای پیل‌های سوختی

خلاصه

 مرجع پلیمر در بازار ایران (پلیم پارت) : تغییر در بخش انرژی به سمت منابع سبز، پیل‌های سوختی را به طور فزاینده‌ای به‌عنوان تامین کننده انرژی پایدار مور توجه قرار داده است. با این حال، عواملی مانند کاتالیزگرهای گران قیمت، مسمومیت آندی و تغییر سوخت، طول عمر و عملکرد پیل‌های سوختی را کاهش می‌دهند و بهبود کاتالیزگر را ضروری می‌سازند. این مقاله مروری، قابلیت‌های منحصربه‌فرد کالکوژنیدهای فلزی (MC[1]) را به عنوان کاتالیزگرهای مناسب ارائه می‌کند و سنتز، تکنیک‌های آزمایش و ارزیابی عملکرد آنها را مورد بررسی قرار می‌دهد. کاتالیزگرهای MC از طریق روش‌های مختلف فیزیکی و شیمیایی تولید می‌شوند تا مورفولوژی، کمیت، ابعاد و اندازه آنها کنترل شود. پس از سنتز، عملکرد کاتالیزگر با استفاده از پیل‌های سه الکترودی و به دنبال آن آزمایش‌هایی در نمونه‌های اولیه پیل سوختی اندازه‌گیری می‌شود. به‌عنوان کاتالیزگرهای آندی، MCها سوخت‌های مختلفی مانند متانول، اتانول، اوره و H₂ ناخالص را در چگالی جریان بالا و پتانسیل شروع کم، اکسید می‌کنند و در عین حال مانع از گونه‌های مسموم کننده می‌شوند. به عنوان کاتالیزگرهای کاتدی، MC ها مقادیر جریان مشابهی را نشان می‌دهند که توسط همتایان فلز نجیب خود نشان داده می‌شوند در حالی که اکسیژن را به‌طور انتخابی در مجاورت سوخت‌ها از طریق انتقال چهار الکترون در طیف گسترده‌ای از پتانسیل‌ها کاهش می‌دهند.

نتیجه‌گیری:

یک کالکوژن برای اصلاح ساختار الکترونی مواد از طریق ابزارهای فیزیکی یا شیمیایی استفاده می‌شود. سنتز سالووترمال[2] (حلال- دمایی) به کنترل‌پذیری بالایی از مورفولوژی‌های حاصل دست می‌یابد، این در حالی است که [3]CVD امکان تهیه کاتالیزگرهای پراکنده اتمی با وجود شرایط آماده سازی نسبتاً ملایم را، فراهم می‌کند. MCهای تولید شده به دلیل برهم‌کنش قابل تنظیم بین فلز و کالکوژن، ذاتاً فعال‌تر از همتایان اکسیدی خود هستند. کالکوژنیدها استحکام پیوند را کاهش می‌دهند و از اکسیداسیون فلز جلوگیری می‌کنند، در نتیجه عملکرد را با افزایش سرعت جذب/ واجذب گونه‌ها بهبود می‌بخشند. علاوه براین، [4]Se طبق گزارش‌ها، افزایش ظرفیت و لبه‌های نوارهای رسانا را در [5]Co کاهش می‌دهد و در نتیجه انتقال بار را افزایش می‌دهد. فلز دوم را می‌توان برای تشکیل یک کاتالیزگر فلزی دوتایی اضافه نمود. به‌طور کلی بار مثبت اضافی اضافه می‌کند که برهم‌کنش هم افزایی بین کاتالیزگر و کالکوژن را بهبود می‌بخشد و در نتیجه فعالیت کاتالیزگری را بهبود می‌بخشد. علاوه بر این، از دوپینگ غیر فلزی نیز برای افزایش فعالیت استفاده شده است، مانند دوپینگ با نیتروژن و فسفر. استفاده از بستر کربنی با افزایش رسانایی و مساحت سطح قابل دسترس عملکرد را افزایش می‌دهد. همچنین در صورت دوپ شدن با کالکوژنیدها می‌تواند سایت‌های فعال ایجاد کند. سایر مواد بستر مانند DETA[6] فعالیت‌های بالایی را نشان می‌دهد. خود کالکوژن‌ها می‌توانند به عنوان مواد بستر یا به عنوان نگهدارنده برای سایت‌های فعال روی بسترهای بی‌اثر استفاده شوند. به عنوان کاتالیزگر آندی، MCها اثرات مسمومیت را با کاهش جذب CO یا تسریع در حذف آن کاهش می‌دهند، در نتیجه فعالیت کاتالیزگر پایه را افزایش می‌دهند و منجر به عملکرد در محل بالا می‌شوند. به عنوان کاتالیزگرهای کاتدی، بطور نظری، MCها قادر به انتقال چهار الکترونی یک مرحله‌ای برای ORR[7] از طریق یک مکانیسم مشارکتی هستند. با این حال، در عمل، اعداد نزدیک به چهار برای پتانسیل بالا به دست آمده است. علاوه براین، MCها نسبت به سوخت‌هایی به‌عنوان کاتالیزگرهای کاتدی مانند متانول و اتیلن‌گلیکول سازگار هستند. این ویژگی مشکل تغییر سوخت در پیل‌های سوختی را کاهش می‌دهد و آسیب‌های ناشی از گونه‌های مسموم کننده مانند سولفات‌ها را کمتر می‌کند. جالب توجه است که برخی از کاتالیزگرهای کالکوژنید مانند ReS₂ هم به عنوان کاتالیزگر آندی و هم کاتدی برای پیل‌های سوختی استفاده شده‌اند. به نظر می‌رسد که مواد پشتیبانی و روش‌های آماده‌سازی می‌توانند بر انتخاب‌پذیری کاتالیست تأثیر بگذارند. به‌عنوان مثال، ZnTe/QH در SOFC به‌عنوان آند استفاده شده است. با این حال، در غیاب QH[8]، کاتالیزگر نسبت به اکسیداسیون سوخت غیر فعال باقی ماند. چنین ماهیت دوگانه‌ای از کالکوژنیدها به انرژی فعال‌سازی متفاوت برای هر کاتالیزگر نسبت داده می‌شود، به‌عنوان مثال، برخی کاتالیزگرها انرژی فعال‌سازی کمتری برای اکسیداسیون سوخت نسبت به ORR دارند. با این وجود، این پدیده باید در آینده بیشتر مورد بررسی قرار گیرد.

[1] Metal Chalcogenide

[2] Solvothermal Synthesis

[3] Chemical vapor deposition

[4] Selenium

[5] Carbon Monoxide

[6] Diethylenetriamine

[7] Oxygen reduction reaction

[8] Quinhydrone

:source  : Eisa, T.; Abdelkareem, M.A.; Jadhav, D.A.; Mohamed, H.O.; Sayed, E.T.; Olabi, A.G.; Castano, P.; Chae, K.J. Critical review on the synthesis, characterization, and application of highly efficient metal chalcogenide catalysts for fuel cells. Progress in Energy and Combustion Science. 2023, 94, 101044.

DOI: 10.1016/j.pecs.2022.101044

ترجمه و ویرایش : علیرضا دهقان