محققان ژاپنی از موسسه علم توکیو (Science Tokyo) ماده جدیدی را توسعه داده‌اند که می‌تواند فناوری سلول‌های سوختی را به‌طور چشمگیری بهبود بخشد.
به گزارش تکناک، این ماده که حاوی عنصر روبیدیوم (Rb) است، دارای رسانایی یونی بالایی است و می‌تواند به‌طور مؤثرتری یون‌های اکسیژن را حمل کند. این پیشرفت می‌تواند فناوری‌های انرژی پاک مانند سلول‌های سوختی اکسید جامد (SOFC) را کاربردی‌تر و مقرون به صرفه‌تر کند.
سلول‌های سوختی اکسید جامد و چالش‌های آنها
سلول‌های سوختی اکسید جامد نوعی از سلول‌های سوختی هستند که می‌توانند با استفاده از سوخت‌های مختلف، نه تنها هیدروژن، برق تولید کنند. این سلول‌ها قادرند با گاز طبیعی و سایر سوخت‌ها کار کنند، که آنها را برای کاربردهای متنوع، انعطاف‌پذیرتر می‌سازد.
با این حال، این سلول‌ها با چالش‌هایی مواجه هستند که تاکنون باعث محدود شدن پذیرش گسترده آنها شده است. از جمله این چالش‌ها می‌توان به هزینه بالای ساخت، دوام کم و نیاز به دمای بسیار بالا برای عملکرد صحیح اشاره کرد. به همین دلیل، تیم تحقیقاتی ژاپنی به دنبال موادی بودند که بتوانند حرکت یون‌های اکسیژن (O²⁻) را درون سلول سوختی تسهیل کنند.
روبیدیوم، راه‌حلی ایده‌آل برای بهبود رسانایی
محققان روبیدیوم را به عنوان یک راه‌حل ایده‌آل انتخاب کردند، زیرا این عنصر دارای خواص منحصر به فردی است. اولاً، روبیدیوم دارای اندازه اتمی نسبتاً بزرگی است، که به معنای وجود فضای آزاد بیشتر در ساختار آن است. این ویژگی به یون‌های اکسیژن اجازه می‌دهد تا به راحتی درون ساختار ماده حرکت کنند. دوم اینکه، روبیدیوم معمولاً انرژی فعال‌سازی پایینی دارد، به این معنی که برای حرکت یون‌ها انرژی کمتری لازم است.
این ویژگی‌ها باعث می‌شوند که مواد حاوی روبیدیوم دارای رسانایی یونی بالاتری باشند. تیم تحقیقاتی با استفاده از شبیه‌سازی‌های کامپیوتری، ۴۷۵ ماده مختلف مبتنی بر روبیدیوم را تحلیل کردند و دریافتند که ترکیب Rb₅BiMo₄O₁₆ مناسب‌ترین کاندید برای این کاربرد است.
نتایج امیدوارکننده آزمایش‌ها
پس از سنتز این ترکیب، محققان متوجه شدند که رسانایی این ماده ۲۹ برابر بیشتر از ماده معمول استفاده‌شده در سلول‌های سوختی اکسید جامد (زیرکونیای تثبیت‌شده با ایتریا) در دمای ۳۰۰ درجه سانتیگراد است. همچنین، حرکت یون‌های اکسیژن با کمک شکل و حرکت واحدهای تتراهدرال MoO₄ (یک ساختار بلوری خاص درون ماده) تسهیل می‌شود.
آزمایش‌ها نشان دادند که این ماده در شرایط مختلف، از جمله دماهای بالا، هوای مرطوب و آب، پایدار باقی می‌ماند. این کشف می‌تواند به سلول‌های سوختی اکسید جامد کمک کند تا در دماهای پایین‌تر عمل کنند، که آنها را ارزان‌تر، بادوام‌تر و آسان‌تر برای استفاده در کاربردهای انرژی مختلف می‌سازد.
پروفسور ماساتومو یاشیما، سرپرست این تحقیق، در مورد نتایج گفت: به‌طور شگفت‌انگیزی، Rb₅BiMo₄O₁₆ دارای رسانایی بالای یون‌های اکسید به مقدار ۰.۱۴ میلی‌زیمنس بر سانتی‌متر در ۳۰۰ درجه سانتیگراد است، که ۲۹ برابر بیشتر از زیرکونیای تثبیت‌شده با ایتریا در همین دما است و مشابه پیشرفته‌ترین رساناهای یون اکسید با واحدهای تتراهدرال مشابه است.
پیامدهای این کشف برای فناوری انرژی پاک
اگر تحقیقات بیشتر این نتایج را تأیید کنند، مواد مبتنی بر روبیدیوم می‌توانند نقش قابل توجهی در فناوری‌های انرژی پاک آینده، مانند سلول‌های سوختی، حسگرهای گاز و کاتالیزورها ایفا کنند. این ماده می‌تواند با بهبود عملکرد و کاهش هزینه‌های سلول‌های سوختی اکسید جامد، انقلابی در فناوری انرژی ایجاد کند و به روی آوردن به منابع انرژی پاک‌تر کمک نماید.
یاشیما افزود: کشف اکسیدهای حاوی روبیدیوم با رسانایی و پایداری بالا ممکن است مسیر جدیدی برای توسعه رساناهای یون اکسید باز کند. ما انتظار داریم که این پیشرفت‌ها منجر به کاربردهای جدید برای روبیدیوم شوند و همچنین به کاهش دمای عملکرد و هزینه‌های سلول‌های سوختی اکسید جامد کمک کنند.
این مطالعه در مجله Chemistry of Materials منتشر شده است و گامی مهم در جهت بهبود فناوری‌های انرژی پاک و پایدار محسوب می‌شود.
