گامی تازه در توسعه فناوری‌های تولید و ذخیره انرژی پاک
پژوهشی جدید در دانشگاه گیلان با هدف طراحی و توسعه الکترودهای دومنظوره برای کاربرد هم‌زمان در سلول‌های سوختی میکروبی و ابرخازن‌ها انجام شده است؛ پژوهشی که می‌تواند مسیر توسعه فناوری‌های نوین تولید و ذخیره انرژی پاک را هموارتر کند.
به نقل از مرکز ارتباطات و اطلاع‌رسانی معاونت علمی، فناوری و اقتصاد دانش‌بنیان ریاست‌جمهوری، مریم فرحمند حبیبی در دوره پسادکتری خود و با راهنمایی مجید آروند، پژوهشی را با عنوان «طراحی و توسعه الکترودهای دومنظوره برای کاربرد هم‌زمان در سلول‌های سوختی میکروبی و ابرخازن‌ها» در دانشگاه گیلان انجام داده است.
فرحمند حبیبی با اشاره به چالش‌های ناشی از افزایش مصرف سوخت‌های فسیلی و نیاز روزافزون به منابع جدید انرژی گفت: کاهش منابع انرژی تجدیدناپذیر، آسیب‌های زیست‌محیطی و ضرورت توسعه فناوری‌های تبدیل و ذخیره‌سازی انرژی، اهمیت سرمایه‌گذاری و پژوهش در این حوزه را بیش از گذشته افزایش داده است.
وی افزود: سلول‌های سوختی میکروبی از جمله فناوری‌های نوظهور حوزه انرژی هستند که با بهره‌گیری از فعالیت میکروارگانیسم‌ها، مواد آلی را تجزیه کرده و انرژی شیمیایی موجود در آن‌ها را به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کنند.
سلول‌های سوختی میکروبی نوعی فناوری نوین تولید انرژی هستند که از فعالیت موجودات میکروسکوپی برای تبدیل مواد آلی به برق استفاده می‌کنند.
این فناوری علاوه بر ظرفیت تولید انرژی، می‌تواند در مسیر توسعه سیستم‌های نوین انرژی و مدیریت منابع نیز مورد توجه قرار گیرد.
در کنار این فناوری، ابرخازن‌ها نیز به دلیل برخورداری از توان بالا، طول عمر چرخه‌ای مناسب، ایمنی مطلوب و هزینه نگهداری پایین، یکی از گزینه‌های مهم برای ذخیره‌سازی انرژی به شمار می‌روند.
این پژوهشگر با اشاره به اهمیت مواد الکترودی در عملکرد فناوری‌های نوین انرژی اظهار کرد: عملکرد الکتروشیمیایی سلول‌های سوختی میکروبی و ابرخازن‌ها تا حد زیادی به ویژگی‌های الکترودهای مورد استفاده وابسته است.
به همین دلیل، طراحی و ساخت مواد الکترودی جدید با عملکرد بالا، یکی از مهم‌ترین نیازها برای توسعه کاربرد سلول‌های سوختی و سیستم‌های ذخیره انرژی محسوب می‌شود.
وی ادامه داد: در این پژوهش، طراحی الکتروکاتالیست‌های دومنظوره مورد توجه قرار گرفته است؛ موادی که می‌توانند هم در واکنش کاهش اکسیژن، به‌عنوان یکی از فرآیندهای مهم در سلول‌های سوختی، نقش داشته باشند و هم قابلیت ذخیره‌سازی انرژی در ابرخازن‌ها را فراهم کنند.
هدف از طراحی الکترودهای دومنظوره، ترکیب دو قابلیت مهم در یک ساختار واحد است؛ از یک سو فعالیت کاتالیزوری مورد نیاز برای تولید انرژی و از سوی دیگر، قابلیت ذخیره‌سازی انرژی.
به گفته فرحمند حبیبی، مهندسی ساختار و مورفولوژی مواد الکترودی می‌تواند نقش مهمی در افزایش کارایی این تجهیزات داشته باشد.
بر همین اساس، در این پژوهش تلاش شده است الکترودهایی با ساختار متخلخل و سطح ویژه بالا طراحی و ساخته شوند تا عملکرد آن‌ها در سلول‌های سوختی میکروبی و ابرخازن‌ها مورد بررسی قرار گیرد.
توسعه انرژی‌های تجدیدپذیر مانند انرژی خورشیدی، باد و زمین‌گرمایی، با وجود مزایای زیست‌محیطی، با چالش نوسان در تولید انرژی روبه‌رو است.
تولید برق از منابعی مانند خورشید و باد همواره ثابت نیست و به شرایط طبیعی وابسته است. از این رو، ذخیره انرژی تولیدشده و استفاده از آن در زمان کاهش تولید، یکی از مهم‌ترین راهکارها برای مدیریت و پایداری شبکه‌های انرژی به شمار می‌رود.
در این میان، سیستم‌های الکتروشیمیایی مانند سلول‌های سوختی و خازن‌های الکتروشیمیایی می‌توانند نقش مهمی در توسعه زیرساخت‌های تولید و ذخیره انرژی ایفا کنند.
این پژوهشگر با اشاره به محدودیت کاتالیزورهای تجاری گفت: بسیاری از کاتالیزورهای رایج از فلزات گران‌بهایی مانند پلاتین استفاده می‌کنند که هزینه بالا و محدودیت منابع، توسعه گسترده فناوری‌های مرتبط را با چالش مواجه کرده است.
به همین دلیل، یکی از مسیرهای مهم پژوهش در حوزه فناوری انرژی، توسعه الکتروکاتالیست‌های مؤثر بر پایه فلزات غیرنجیب و اقتصادی‌تر است.
استفاده از چنین موادی می‌تواند هزینه تولید تجهیزات و فناوری‌های مرتبط با سلول‌های سوختی و ذخیره‌سازی انرژی را کاهش دهد.
الکترودها و الکتروکاتالیست‌های دومنظوره می‌توانند مزایای مختلفی در مقایسه با ساختارهای معمولی داشته باشند که از جمله آن‌ها می‌توان به کاهش هزینه و پیچیدگی سیستم‌ها، افزایش دوام تجهیزات، انعطاف‌پذیری بیشتر و امکان استفاده از یک ساختار برای چند عملکرد اشاره کرد.
این ویژگی‌ها می‌توانند توسعه سیستم‌های یکپارچه تولید و ذخیره انرژی را تسهیل کنند.
فرحمند حبیبی در پایان با اشاره به ظرفیت‌های اقتصادی و صنعتی سلول‌های سوختی میکروبی و ابرخازن‌ها، دستیابی به الکترودهای کارآمد، پایدار و اقتصادی را یکی از گام‌های مهم در مسیر تجاری‌سازی این فناوری‌ها دانست.
به گفته وی، این پژوهش با ارائه ساختارهای الکترودی نوین تلاش دارد زمینه توسعه سیستم‌های جدید برای تبدیل، تولید و ذخیره انرژی پاک را فراهم کند.
توسعه الکترودهای دومنظوره می‌تواند در آینده به طراحی فناوری‌هایی منجر شود که با هزینه کمتر، پیچیدگی پایین‌تر و بهره‌وری بیشتر، نقش مؤثری در پاسخ به نیازهای رو به رشد جهان برای انرژی پایدار و فناوری‌های پاک ایفا کنند.
