آخرین بروزرسانی : یکشنبه 19 تیر 1384 - 09:29:56 ق.ظ.
مرتبه بازدید | نظرات شما | نسخه قابل چاپ | این صفحه را برای دوستان خود بفرستید.

نانو تكنولوژي و پيل هاي سوختي

گوي هاي نيكلي در ابعاد نانو مي توانند به اقتصاد هيدروژني توان تازه اي ببخشند و خودروهاي هيدروژني را پربا زده تر سازند. كره شكل شگفت انگيزي است. كمترين مساحت سطحي را كه در ميزان معيني مي توان به دست آورد، به يقين يك كره خواهد بود. اين خاصيت جالب هندسي هنگامي كه مي خواهيم به همراه بنزين، ميزاني ماده در فضايي محدود داشته باشيم، به كار ما مي آيد. اما هميشه با اين ويژگي سروكار نداريم. گاه به افزايش ميزان تماس نيازداريم. به حداكثررساندن ميزان تماس براي افزايش كارآيي كاتاليست ها ضرورت دارد.
براي به دست آوردن سطحي بزرگ، توليدكنندگان گاهي مجبور به ساختن شمايل هاي پيچيده و به هم تابيده از راه هاي دشوار توليدي مي شوند. جالب توجه است كه يك كره در بيشتر اين موارد كار مورد نظر را انجام مي دهد. اگر شما با مقياس ۱۰۰۰ حجم يك كره را كاهش دهيد، سطح آن كره تنها با مقياس ۱۰۰ كاهش خواهد يافت. «كره ها را به حد كافي كوچك بسازيد تا حتي فلزات خيلي معمولي و فراوان در اطراف ما كارهاي عجيبي را براي شما انجام دهند». اين يكي از نويدهايي است كه ذرات در مقياس نانو به ما مي دهند. ذرات بسيار ريز مواد خواصي دارند كه همان مواد در مقياس بزرگ تر آن خواص را ندارند. ذرات در مقياس نانو كه نخستين تحول تجاري در نانو تكنولوژي هستند، امروزه در گستره وسيعي از محصولات از رنگ تاتوپ تنيس يافت مي شوند.
اما ذرات در مقياس نانو بيشترين تاثيرشان در كاتاليست ها و واكنش گرها است. اين فلزات در مقياس نانو هم اكنون به درون سوخت خودروها و مهمات راه يافته اند و اين احتمال كه بتوانند با قيمتي ارزان جانشين پلاتين در پيل هاي سوختي شوند، زياد است. كاتاليست ها (كاتاليزورها) واكنش هاي شيميايي را سريع تر مي سازند، بدون اين كه خودشان در ميان واكنش مصرف شوند. براي كاربردهاي بسياري پلاتين به عنوان كاتاليست بهترين انتخاب خواهد بود. پلاتين در كانورتورهاي كاتالكتيكي خودروها و در پالايش گاه هاي نفت به كار گرفته مي شود. پلاتين آن قدر ناياب و گرانبها است كه نسبت كيلو به كيلوي آن از طلا گران تر درمي آيد.
اين موضوع براي به كارگيري كاتاليست ها در بسياري پروژه ها عاملي بازدارنده به شمارمي آيد. يكي ازچالش هاي اصلي در پايين آوردن بهاي پيل هاي سوختي همين نيازمندي به كاتاليست هاي پلاتيني است. لايه نازك پلاتيني كه در پهناي غشايي اين پيل ها گسترانيده شده است، پروتون هاي اتم هيدروژن را از الكترون ها جدا مي كند.
تاكنون بهترين كاتاليست پلاتين بوده است، اما موارد ديگري نيز مي توانند كاري مشابه انجام دهند. ليتيم، نيكل و مس نيز مي توانند در بسياري واكنش هاي مشابه به عنوان كاتاليست استفاده شوند.
يكي از راه هاي افزايش خاصيت كاتالكتيكي مواد، افزايش ميزان تماس آنها با عناصر واكنش است. با نگاهي سريع به ارتباط ميان حجم و سطح يك كره به راه حل جالب توجهي مي رسيم. كاتاليست هاي پودري با قطرهاي بسيار ريز بسازيد، هرچه ريزتر بهتر و هم اكنون ما امكان ساخت اين كره ها را در مقياس نانو يافته ايم.
از دهه ۳۰ ميلادي محققان كوداك ذراتي چند برابر نانومتر براي فيلم هاي عكاسي مي ساختند. ديگر پژوهشگران در دهه ۷۰ ميلادي موادي در مقياس نانو توليد كردند. روشي كه اين محققان از آن استفاده مي كردند، روش چگاليدن فاز گازي بود. امروزه از فرآيندهاي متفاوتي براي توليد مواد نانومتري در سراسر جهان استفاده مي شود. اين فرآيندها شامل ته نشست بخار شيميايي، ته نشست فيزيكي بخار، پرتاب راكتيو مايع، تجزيه شيميايي با ليزر، تبديل با اسپري تفنگ پلاسما، آلياژهاي مكانيكي و فرآيندهاي مرتبط، آسياب كردن و solgel مي شوند.
بسياري از مفسران هم عقيده اند كه ساخت ذرات در مقياس نانو، نخستين تحول عظيم در زمينه نانو تكنولوژي بوده است. شركت كوانتوم راسفر در كوستامسا كاليفرنيا پتانسيل قوي را در اين بخش احساس كرد و به تحقيقات جديدي روي آورد. بسياري از فرآيندهايي كه شركت هاي ديگر براي ساخت ذرات در مقياس نانو به كار مي برند، بسيار گران قيمت ا ند يا به تجهيزات پيچيده وكاركنان ماهر و تعميرات و نگهداري مداوم نياز دارند. به علاوه، اندازه و شكل ذرات توليد شده با اين فرآيندها در بهترين حالت ناپيوسته و ناهمگون هستند.
كوانتوم راسفير، اكنون يكي از توليدكنندگان پيشرو در زمينه ذرات نانومتري و پودرهاي فلزي نانو متري كه شامل ذرات نانويي پودرنيكل با كيفيت بالا نيز مي شود، راهي براي استفاده مناسب از روش چگاليدن فاز گازي يافته است كه خود يكي ازنخستين فناوري هاي توليد ذرات نانويي بوده است و با اين روش فرآيندي پيوسته و تمام خودكار را براي توليد پودرهاي فلزي به كار مي گيرد. مفتول فلزي به درون محفظه خلأ خورانده مي شود و روي كامپوزيت هاي بين فلزي كه با الكتريسيته تا دماهاي بالايي گرم مي شوند، ذوب مي شود.
فلز تبخير مي شود و بخار با گاز بي اثر خنك مي شود، سپس به صورت ذراتي از مايع چگاليده مي شود كه با جامد شدن اين ذرات، گوي هاي نانويي خواهيم داشت. سپس اكسيژن به جريان گازافزون مي شود تا پوسته اي اكسيده شده گوي ها را در برگيرد.
ذرات نانو جمع آوري مي شوند و در ظرف هايي كه از گاز بي اثر پر شده اند، ذخيره و بسته بندي مي شوند. بنا به ميزان افزودني ها به فلز، فشار محفظه، دما و جريان گاز خواص ذرات تغيير مي كند. براي مثال، تكنسين ها مي توانند اندازه ذرات نانويي را با كنترل جريان لايه اي منطقه اطراف محدوده مغشوش بخارفلز تعيين كنند. اين فرآيند پايين به بالا تكنيك ها را قادر مي سازد تا پيش از فرونشاندن گاز، قطر مورد نظرشان را به دست آورند.
نتيجه توزيع يكنواخت و كنترل اندازه ذرات خواهد بود و با به كارگيري جريان لايه اي كنترل شده اطراف المنت هاي حرارتي درون محفظه خلأ مي توان خروجي را برحسب نياز تحويل گرفت.
اين فرآيند مي تواند گوي هاي فلزي بسازد كه بسيار ريز هستند. براي كاربردهاي خاص، ذراتي ساختيم كه تنها دو نانومتر پهنا دارند و تنها از چند صد اتم تشكيل شده اند.
سال ها است كه ذرات نانو در تايرها، لوازم آرايشي و پوشش هاي محافظتي خاص استفاده مي شوند، اما توليد انبوه گوي هاي فلزي هم شكل، افق هاي جديدي را به روي ما مي گشايد. حتي در مقياس ميكروني بيشتر فلزات با اكسيژن واكنش نشان مي دهند. هنگامي كه به قطرهاي بسيار ريز مي رسيم، ذرات فلز سطح كافي خواهند داشت تا به صورت استثنايي راكتيو (واكنش دهنده) باشند. ذرات نانويي توليد شده به وسيله كوانتوم اسفير آن قدر كوچك هستند كه هر اتم موجود در ذره مي تواند در واكنش ها شركت كند. نيكل نانويي و ديگر ذرات نانويي بايد در ظرف هاي عاري از هوا نگهداري شوند و گرنه به طور طبيعي خواهند سوخت.
اگر در محيطي كنترل شده نانو آلومينيوم را آزاد كنيم، همانند ديناميت عمل خواهد كرد. در ضمن براي سوخت راكت نيز قابل استفاده خواهد بود؛ از اين رو، وزارت دفاع آمريكا براي مهمات نسل آينده و ناسا براي افزودني ها به سوخت هاي راكت ها روي اين موضوع تحقيقات گسترده اي انجام مي دهند.
نيكل كاتاليستي ارزان قيمت است و براي هيدروژنيزه كردن روغن سبزيجات به كار مي رود. پژوهشگران علوم فضايي راكتورهايي برپايه نيكل را براي تبديل دي اكسيدكربن و يخ به سوخت راكت ها پيشنهاد مي كنند.
برتري نيكل به دليل فراواني هزار برابري آن و پانصد برابر ارزان تر بودن از پلاتين است. با اين تغيير شگرف مي توان نيكل را با پلاتين موجود در پيل هاي سوختي تعويض كرد؛ در نتيجه پيل هاي سوختي هيدروژني به لحاظ هزينه فناوري، اقتصادي خواهند بود.
ذرات نانويي نيكل نيروي كاتالكتيكي بيشتري درقياس به صفحات نيكلي معمولي دارند. اين توان آن قدر زياد است كه مي توان از نانو ذرات نيكل در غشاي الكتروليتي انواع پيل هاي سوختي استفاده و پلاتين را حذف كرد. براساس قيمت هاي موجود اين كار تا ۵۰ درصد هزينه توليد پيل هاي سوختي را پايين خواهد آورد.
با جانشيني پلاتين و ذرات نانويي نيكل، شاهد تغييرات عمده اي روي موتورهاي احتراق داخلي نيز خواهيم بود. پلاتين در مواد كاتالكتيكي موتور ديزل و در مدل هاي كاتالكتيكي كنترل گازهاي خروجي نيز به كار برده مي شود و نانو نيكل در همه اين موارد كارساز است.
با گسترش استفاده از نانو، نيكل فرآيندهاي كاتالكتيكي بيشتر به كار گرفته خواهند شد، زيرا قيمت فرآيند توجيه پذير خواهد بود. اين فناوري مي تواند در بخش هاي متفاوت توليد، بهره برداري، توسعه و مصرف انرژي به كار گرفته شوند و بخشي از كسري بودجه ايالات متحده به دليل واردات فراوان نفت را جبران كنند. به گزارش مركزملي انرژي، واردات نفت هفته اي يك ميليارد دلار از درآمد اقتصاد آمريكا را مي بلعد.
تغييراتي كه در ساختار طبيعي فلزات معمولي داده مي شود، گواهي است بر پتانسيل عظيم نهفته در علم نانوتكنولوژي در مقياس نانو تقريباً همه چيز متفاوت است. يافتن راه هاي متفاوت براي به خدمت گرفتن اين تفاوت ها، نيروي عظيم را در اختيار ما خواهد گذارد.
منبع خبر: شانا