שימוש בננו-צינורות פחמן לפיתוח תאי דלק וסוללות

מדענים מאוניברסיטת סטנפורד מצאו כי ננו-צינורות פחמן בעלי פגמים וזיהומים על צדם החיצוני יוכלו להחליף את זרזי הפלטינה היקרים המשמשים היום בתאי דלק ובסוללות מתכת-אוויר.

האיור מתאר את הדופן החיצונית הפגומה (לא שלמה) של ננו-צינורות פחמן המגולגלים זה בתוך זה. על גבי דופן זו נמצאים חלקי גרפן ננומטריים (המשטחים הלבנים) אשר מעודדים היווצרותם של אתרי זירוז המורכבים מאטומי ברזל (צהוב) וחנקן (אדום). זרז זה מחזר חמצן למים. איור: אוניברסיטת סטנפורד

מדענים מאוניברסיטת סטנפורד מצאו כי ננו-צינורות פחמן בעלי פגמים וזיהומים על צדם החיצוני יוכלו להחליף את זרזי הפלטינה היקרים המשמשים היום בתאי דלק ובסוללות מתכת-אוויר.

"המתכת פלטינה יקרה מאוד ועל כן היא בלתי מעשית למסחור בקנה מידה גדול," אמר Hongjie Dai, פרופסור לכימיה באוניברסיטת סטנפורד. "לכן, הפיתוח של חלופה זולה לפלטינה היווה יעד מחקרי נחשק מזה עשורים."

במהלך חמש השנים האחרונות, מחיר הפלטינה עלה משמונה מאות דולרים לאונקיה (28 גרם) לאלפיים ומאתיים דולר לאונקיה. אחד מהחומרים המבטיחים ביותר היכולים לשמש כחלופה זולה לפלטינה הוא ננו-צינורות פחמן – יריעה מגולגלת של פחמן טהור המכונה גרפן, יריעה בעלת עובי של אטום פחמן יחיד. ננו-צינורות פחמן וגרפן הם מוליכי חשמל מעולים וזולים יחסית לייצור.

במחקרם זה, המדענים השתמשו בננו-צינורות פחמן מרובי דופנות המכילים שנים או שלושה צינורות המונחים אחד בתוך השני. החוקרים הראו כי קריעת הדופן החיצונית בעוד השארת הדפנות הפנימיות שלמות מגבירה את הפעילות הקטליטית בננו-צינורות ועדיין לא מפריעה ליכולתם להוליך חשמל.

"לננו-צינורות פחמן יש בדרך כלל פגמים אחדים," מסביר אחד מהחוקרים. "אולם, הפגמים למעשה חשובים לעידוד היווצרותם של אתרי זירוז ולשמירת יכולתם של ננו הצינורות להישאר פעילים לטובת תגובות קטליטיות."

החוקרים הכניסו את ננו-הצינורות שלהם לתמיסה. בדיקת מיקרוסקופ גילתה כי התמיסה גרמה לפרימתו החלקית של ננו הצינור החיצוני ולהיווצרותם של חלקי גרפן ננומטריים שנצמדו לננו-הצינורות הפנימיים. "גילינו כי הוספת זיהומי ברזל וחנקן מעטים הופכים את הדופן החיצונית לפעילה מאוד מבחינת תגובות קטליטיות," מסביר החוקר הראשי. "יחד עם זאת, פנים ננו-הצינורות נותר שלם ומספק מסלול לתנועתם של האלקטרונים. אתה מעוניין כי הצד החיצוני יהיה פעיל מאוד ועדיין שהחומר יהיה בעל מוליכות חשמלית טובה. אם נשתמש בננו-צינורות פחמן בעלי דופן אחת בלבד לא נוכל לקבל את היתרון הזה מאחר והריסת הדופן תבטל את יכולת החומר להוליך חשמל."

בתאי דלק ובסוללות מתכת-אוויר לזרז הפלטינה יש תפקיד חיוני בהאצת התגובות הכימיות הממירות מימן וחמצן למים. אולם, ייתכן כי גם ננו-הצינורות מרובי הדפנות והפרומים בחלקם יעבדו כך, הוסיף החוקר. "גילינו כי הפעילות הקטליטית של ננו-הצינורות קרובה מאוד לזו של פלטינה," אמר החוקר. "פעילות גבוהה זו ויציבות העיצוב שלו הופכת את החומר הזה למועמד מבטיח ביישום של תאי דלק." ננו-צינורות אלו יוכלו לשמש גם בסוללות מתכת-אוויר המורכבות מליתיום או אבץ.

הידיעה על המחקר