تأمین انرژی کامیون‌های سنگین با سوخت هیدروژنی

اختصاصی دیدبان شمال:

به گزارش دیدبان شمال از اینترستینگ انجینیرینگ، محققان آمریکایی کاتالیزور جدیدی توسعه داده‌اند که عملکرد و دوام پیل‌های سوختی هیدروژنی را به طور قابل توجهی بهبود می‌بخشد و به طور بالقوه آنها را برای وسایل نقلیه سنگین و ناوگان‌های تجاری کاربردی می‌کند.

تیم تحقیقاتی در آزمایشگاه ملی بروکهاون، یک موسسه تحقیقاتی ملی وزارت انرژی ایالات متحده (DOE) واقع در آپتون، نشان داد که مهندسی اتمی دقیق می‌تواند طول عمر کاتالیزور را بسیار فراتر از محدودیت‌های موجود افزایش دهد.

این ماده جدید که تحت شرایط سخت آزمایش شده است، بیش از ۹۰،۰۰۰ چرخه عملیاتی را تحمل کرده است که معادل ۲۵،۰۰۰ ساعت کارکرد مداوم کامیون است، در حالی که همچنان از اهداف فعلی DOE فراتر می‌رود.

دکتر ژورو ژائو، پژوهشگر بخش شیمی آزمایشگاه، اظهار داشت که نتایج به یک مسیر عملی برای توسعه سیستم‌های پیل سوختی که قادر به تأمین انرژی کامیون‌ها و اتوبوس‌های آینده هستند، اشاره دارد.

ژائو گفت: «کاتالیزور ما نه تنها نیازهای فوری بازار را برآورده می‌کند، بلکه زمینه را برای پذیرش گسترده در حمل و نقل سنگین فراهم می‌کند.».

یک کاتالیزور نسل بعدی

پیل‌های سوختی با ترکیب هیدروژن و اکسیژن، برق تولید می‌کنند و تنها آب را به عنوان محصول جانبی آزاد می‌کنند. این فناوری در حال حاضر به طور قابل اعتمادی برای خودروهای سواری کار می‌کند.

در همین حال، علاقه به استفاده از آنها برای وسایل نقلیه سنگین مانند اتوبوس‌ها، کامیون‌های باری و حمل و نقل طولانی مدت رو به افزایش است. با این حال، یکی از بزرگترین چالش‌ها، طراحی کاتالیزورهایی است که به اندازه کافی بادوام و کارآمد باشند تا بتوانند نیازهای چنین کاربردهای سنگینی را برآورده کنند.

دکتر کوتارو ساساکی، شیمیدان بروکهاون و یکی از نویسندگان اصلی مقاله، اظهار داشت: «کاتالیزورها اجزایی هستند که شیمی را در الکترودهای داخل پیل سوختی فعال می‌کنند.».

ساساکی فاش کرد که این مواد، که اغلب از فلزات ساخته شده‌اند، مواد شیمیایی واکنش‌دهنده را به هم نزدیک می‌کنند و انرژی مورد نیاز برای پیشبرد واکنش را کاهش می‌دهند. او توضیح داد: «اما کاتالیزور باید بتواند این عملکرد را بارها و بارها در شرایط چالش‌برانگیز، مانند گرمای زیاد یا محیط اسیدی خشن، انجام دهد.».

برای مقابله با این چالش، این تیم با یک کاتالیزور آلاییده شده با نیتروژن از ترکیبی دقیق از پلاتین (Pt)، کبالت (Co)، نیکل (Ni)، آهن (Fe) و مس (Cu) که قادر به حفظ عملکرد بالا است، روبرو شد.

دانشمندان سپس ساختار «بین‌فلزی با آنتروپی بالا» را که به دلیل چیدمان پایدار و منظم عناصر متعدد به این نام شناخته می‌شود، با یک پوسته تک‌لایه پلاتین محافظت کردند.

آنها با استفاده از اشعه ایکس و میکروسکوپ، این ماده را در سطح اتمی بررسی کردند و کشف کردند که کاتالیزور جدید دارای اعوجاج‌های کوچکی در ساختار اتمی خود است که تا حدی ناشی از چیزی است که آنها آن را «کرنش زیر آنگستروم» می‌نامند.

این اعوجاج‌های فوق‌العاده کوچک، که کوچکتر از عرض یک اتم بودند، از اهمیت بالایی برخوردار بودند. آنها به ایجاد پیوندهای قوی بین فلزات و نیتروژن کمک کردند و واکنش‌پذیری و انعطاف‌پذیری را بهبود بخشیدند.

تحت شبیه‌سازی کامیون‌های سنگین، کاتالیزور جدید بیش از ۹۰،۰۰۰ چرخه، معادل ۲۵،۰۰۰ ساعت استفاده مداوم، را تحمل کرد و در عین حال چگالی جریان بسیار بالاتری نسبت به اهداف وزارت انرژی ارائه داد.

این دستاورد حاصل همکاری نزدیک بین بخش‌های شیمی، فیزیک و نانومواد بروکهاون و همچنین استفاده از امکانات کاربری دفتر علوم وزارت انرژی بود.

ژائو در یک بیانیه مطبوعاتی نتیجه گرفت: «این نمونه بارزی از چگونگی تأثیر تحقیقات بنیادی در یک آزمایشگاه ملی بر دنیای واقعی است. با کشف مکانیسم‌های مقیاس اتمی که این کاتالیزور را بسیار مؤثر می‌کنند، ما دری را به سوی فناوری‌های عملی که نیازهای صنعت را برآورده می‌کنند، باز می‌کنیم.»