پیشرفت‌های نانومقیاس در زمینه‌های کاتالیزور و انرژی

در این مطالعه مروری بر کاربردهای فناوری نانو در زمینه‌های کاتالیزور، تبدیل انرژی و حفظ و نگهداری انرژی ارائه خواهد شد و چگونگی به کارگیری و مهندسی خواصی جدید شیمیایی و فیزیکی نانومواد جهت برطرف کردن نیازهای نسل جدید افزاره‌های تبدیل انرژی و شیمیایی مورد بحث قرار خواهد گرفت. در این بررسی همچنین ضمن بیان پیشرفت‌های اخیر فناوری نانو در این زمینه‌ها، چالش‌های اصلی پیشرو برای پیشرفت‌های بیشتر ذکر خواهند شد.
فناوری نانو به فناوری‌هایی گفته می‌شود که قابلیت طراحی، تولید و کنترل نانوموادی دارند که دارای خواص شیمیایی و فیزیکی عالی برای کاربردهای جدید هستند. نانومواد در زمینه‌های متنوعی از علم سطح در گذشته نیز به طور کامل ناشناخته نبوده‌اند. برای مثال کاتالیست‌های نامتجانس به شکل ذرات فلز انتقالی نانو اندازه‌ی پخش شده روی پایه‌های میکرومتخلخل، برای چندین دهه است که برای فناوری‌های تبدیلات شیمیایی به کار برده می‌شوند. پیشرفت‌های چشمگیر فناوری نانو منجر به افزایش توانایی‌ها برای طراحی و کنترل اندازه، شکل، ترکیبات شیمیایی و ساختار نانومواد برای کاربردهای پیشرفته می‌شود.
در این مطالعه اساسی‌های تکنیکی برای توسعه نانوعلم یعنی روش‌های سنتز و تکنیک‌های تعیین مشخصات، مورد بحث قرار خواهند گرفت. همچنین پیشرفت‌های اخیر در زمینه کاربردهای نانومواد برای کاتالیز نامتجانس، تبدیل انرژی و حفظ و نگهداری انرژی بررسی خواهند شد.

سنتز نانو ساختارها و تعیین مشخصات آن‌ها
سنتز کنترل شده نانومواد و تعیین دقیق مشخصات آن‌ها، ما را قادر خواهد کرد که خواص ساختاری را به طور واضحی با خواص زیستی، شیمیایی و فیزیکی ارتباط دهیم. رابطه بین این خواص، یکی از موضوعات مهم در نانوعلم است. اخیرا برای تولید نانوذرات، نانومیله‌ها، نانوسیم‌ها یا دیگر نانوساختارها با کیفیت بالا با استفاده از فلزات، نیمه‌رساناها و آکسیدها، روش‌های جالبی ابداع شده است.
استفاده از روش کلوئید - شیمی - کنترل شده برای تولید نانوذرات پلاتین با اندازه و شکل کنترل شده (شکل ۱) یک مثال از این روش‌ها است. این نانوذرات می‌توانند به آسانی به عنوان فیلم‌هایی ترسیب شوند یا برای مطالعه تاثیر اندازه و شکل روی خواصی کاتالیستی، روی یک پایه‌ی اکسیدی مزومتخلخل پخش شوند.

filereader.php?p1=main_c4ca4238a0b923820
شکل ۱٫ نانوپلاتین با اندازه و شکل کنترل‌شده تهیه‌شده به وسیله‌ی روش کلوئید - شیمی– کنترل‌شده


جهت تعیین مشخصات نانومواد، معمولا برای افزایش دقت و وضوح ترکیبی از تکنیک‌های مختلف به کار برده می‌شود. تکنیک‌هایی که معمولاً برای تعیین مشخصات نانومواد استفاده می‌شوند، در جدول ۱ عنوان شده‌اند. اکثر این تکنیک‌ها که با ستاره علامت گذاری شده‌اند، برای تعیین خواص نانومواد تحت شرایط کاری به کار برده می‌شوند و برای بهینه‌سازی عملکرد نانومواد، اطلاعاتی در سطح مولکولی از آن‌ها ارائه می‌کنند.

جدول ۱٫ تکنیک‌هایی که معمولاً برای تعیین مشخصات نانومواد استفاده می‌شوند
filereader.php?p1=main_6caeba444797a281a

نانوکاتالیز
کاتالیست ماده‌ای است که سرعت یک واکنشی شیمیایی را افزایش می‌دهد، بدون آن که در این فرایند مصرف شود. این توانایی معمولا به فعالیت کاتالیست نسبت داده می‌شود. برای یک واکنش شیمیایی با چندین محصول، کاتالیست ممکن است تولید یکی از محصولات را تقویت کنند. این توانایی نیز به انتخاب‌گری کاتالیست نسبت داده می‌شود. کاتالیست در فناوری‌هایی مانند تولید سوخت حمل و نقل از سوخت فسیلی گرفته تا منابع جایگزین، تولید مواد شیمیایی تجاری، و کنترل الودگی (در جایی که فرایندهای تبدیل شیمیایی انتخاب‌گر و موثر نگرانی اصلی هستند) نقشی مهمی بازی می‌کنند. در قرن اخیر، یکی از اهداف اصلی تحقیقات در زمینه کاتالیز، طراحی کاتالیست‌های جدیدی است که برای کاهش نیازهای فرآیندی و انرژی جهت جداسازی و خالص سازی با استفاده از فناوری‌های رایج مبتنی بر مواد فسیلی انتخاب‌گری و فعالیت بالایی داشته باشند. یکی دیگر از این اهداف، محافظت از محیط زیست با یافتن راهی برای تخریب یا بازیافت مواد شیمیایی زائد است.
کاتالیست‌های نامتجانس واکنش‌ها را در سایت‌های فعال روی سطح‌شان تقویت می‌کنند، بنابراین آن‌ها معمولا به شکل نانوذراتی با غلظت بالایی از سایت‌های فعال سطحی هستند. پیشرفت در نانوعلم فرصت‌هایی برای توسعه سیستم‌های کاتالیستی نسل جدیدی فراهم کرده است که فعالیت بالایی برای واکنش‌ها چالش انگیز از نظر انرژی، انتخاب‌گری بالایی برای محصولات با ارزش و طول عمر دراز مدتی دارند. ساخت نانو کاتالیست‌های نسل آینده متکی بر تکنیک‌های علم سطحی است که سایت‌های فعال سطحی را در مقیاسی اتمی مشخصه‌یابی می‌کنند و روش‌های سنتزی را که با کنترل اندازه، شکل و ترکیب شیمیایی نانو کاتالیست‌ها، قابلیت تولید سایت‌های فعال سطحی پایدار را دارند، شناسایی می‌کنند.

نانو کاتالیست‌های بسیار فعال
بهترین مثال برای شرح فعالیت کاتالیستی استثنایی نانومواد، کاتالیستی است که دارای نانوذرات طلایی با اندازه‌هایی حدود ۵ نانومتر است که روی یک پایه تیتانیا پخش شده‌اند. این کاتالیست برای اپواکسیداسیون هیدروکربن‌ها و اکسیداسیون CO در دماهای محیط، فعالیت‌های بالایی دارد. در توضیح این فعالیت بسیار بالا گفته شده است که اثرات محدودیت کوانتومی ساختار الکترونیکی این فلز عجیب را تغییر می‌دهد و منجر به فعالیت کاتالیستی غیرمعمولی مشاهده شده می‌شود. این کشف باعث تلاش‌های تحقیقاتی گسترده‌ای برای یافتن نانو کاتالیست‌هایی برای واکنش‌های کاتالیستی مهم با واکنش پذیری کم، از قبیل فعال‌سازی هیدروکربن‌های اشباع شده در واکنش‌های رفورمینگ، واکنش‌های اصلی اکسیژن در پیل‌های سوختی و هیدرولیز زیست توده مواد سلولزی متشکل از بافت‌های چوبی (lingocellulose)، شده است. برای مثال گزارشی شده است که خوشه‌های فلزی باردار فعال‌سازی و دهیدروژناسیون متان را تسهیل می‌کنند.

نانو کاتالیست‌های بسیار انتخاب‌گر
کاتالیست‌های بسیار انتخاب‌گر ممکن است که به کاهش مصرف انرژی مورد نیاز برای جداسازی محصول و فرایندهای تخریب پسماند در صنایع شیمیایی کمک کنند. توسعه منابع انرژی جایگزین نیز متکی بر کاتالیست‌های بسیار انتخاب‌گر است. تبدیل انتخابی کربوهیدرات‌های مشتق شده از زیست توده برای سوخت‌های مایع و مواد شیمیایی با ارزش یک مرحله کلیدی در تبدیلی زیست توده است. تعداد زیادی از عوامل موثر بر انتخاب‌گری کاتالیستی در سطح مولکولی با کمک مطالعات علم سطح در چند دهه اخیر، شناسایی شده‌اند. شناسایی این عوامل به متخصصان فناوری نانو این امکان را می‌دهد که کاتالیست‌هایی با انتخاب‌گری بالا طراحی کنند.
برای یک واکنش کاتالیستی چند مسیری، مراحل تعیین کننده سرعت برای محصولات مختلف معمولا در سایت‌هاى فعال مختلف روی سطح کاتالیست اتفاق می‌افتند.
برای مثال، در یک واکنش کاتالیستی شامل یک واکنش دهنده هیدروکربنی حلقوی (شکل ۲)، شکستن پیوندهای C-C منجر به تولید محصول حلقه باز (محصول ۱) می‌شود، در حالی که تجزیه یک پیوند C-H یک محصول دهیدروژناسیون (محصول ۲) می‌دهد. نسبت محصول ۱ به محصول ۲ در یک سایت سطحی به وسیله‌ی ارتفاع‌های نسبی سدهای انرژی آزاد گیبس برای این دو محصول کنترل می‌شود.

filereader.php?p1=main_c81e728d9d4c2f636
شکل ۲- (شکل بالا) سطح پلاتین دارای مدل پیچ خوردگی. پیوندهای C-C و C-H به ترتیب در سایت‌های پیچ خوردگی و پله‌ای شکسته می‌شوند. (شکل پایین سمت چپ) شرح شماتیکی از انرژی ازاد گیبس برای واکنش دو پیوند C-C و محصول ۲ با شکستن پیوند C-H تشکیل می‌شوند. سد فعال سازی (اکتیواسیون) برای محصول ۱ در سایت پیچ‌خوردگی کم می‌شود که منجر به تفاوت در انتخاب‌گری بین سایت‌های پله‌ای و پیچ خوردگی می‌شود (در شکل پایین سمت راست نشان داده شده است).

در سایت‌های پله‌ای روی سطوح پلاتین، شکستن پیوند C-H اسان‌‌تر از تجزیه پیوند C-C اتفاق می‌افتد، بنابراین احتمال تشکیل محصول دهیدروژناسیون بیشتر است. در سایت‌های پیچ خوردگی (kink) شکستن پیوند C-C آسان‌‌تر می‌شود و انتظار می‌رود که تولید محصول حلقه باز افزایش یابد. با توجه به این توضیحات، انتخاب‌گری واکنش‌های کاتالیستی نامتجانس در نهایت به وسیله‌ی غلظت‌های نسبی سایت‌های فعال برای مسیرهای واکنشی مختلف تعیین می‌شود. برای کاتالیست‌های نانوذره‌ای، غلظت سایت‌های فعالی با توجه به اندازه و شکلی نانوذرات تعیین می‌شود. پیشرفت در روش‌های سنتز نانوذرات، کنترل دقیق سایت‌های فعال سطحی را با کنترل اندازه و شکل کاتالیست‌ها، ممکن می‌کند. یک مثال در شکل ۳ نشان داده شده است که در آن انتخابگری هیدروژناسیون پیرول روی نانوذرات پلاتین وابسته به اندازه و شکل است. در این حالت، انتخاب‌گری با تغییر ساختار سطحی نانوبلورهایی با اندازه و شکل‌های مختلف، تغییر می‌کند.

filereader.php?p1=main_eccbc87e4b5ce2fe2
شکل ۳- (a) وابستگی انتخاب‌گری هیدروژناسیون پیرول به اندازه نانوذرات تحت شرایط واکنشی: فشار جزئی ۳ تور برای پیرول و ۴۰۰ تور برای هیدروژن و دمای ۴۱۳ درجه کلوین. نانوذرات کوچک انتخاب‌گری بالایی برای پرولیدین دارند. (b) وابستگی انتخاب‌گری هیدروژناسیون پیرول به شکل نانوذرات تحت شرایط واکنشی: فشار جزئی ۴ تور برای پیرول و ۴۰۰ تور برای هیدروژن. در دماهای نسبتا پایین تر، نانوذرات چندوجهی در مقایسه با نانوذرات مکعبی برای پیرولیدین انتخاب‌گری بالاتری دارند.

یک دسته مهم از کاتالیست‌های انتخاب‌گر آلیاژهای دو فلزی هستند که سایت‌های فعال سطحی با نظم اتمی ویژه‌ای از اجزاء فلزی، دارند. این زمینه اخیرا با ورود طراحی‌های نانومقیاسی کاتالیست‌ها متحول شده است. با محاسبات و شبیه‌سازی‌های رایانه‌ای می‌توان عنصرها و نظم اتمی از آلیاژها انتخاب کرد که ممکن است خواص کاتالیستی بهینه‌ای داشته باشند. سپس نانو آلیاژهای انتخاب شده سنتز و تست می‌شوند. سنتز موفقیت آمیز کاتالیست‌های آلیاژی با ترکیب مناسب، متکی بر این حقیقت است که کاهش اندازه این ذرات آلیاژی معمولاً منجر به کم شدن شکاف امتزاج ناپذیری می‌شود. با کمک این راهبرد یک کاتالیست آلیاژی با انتخاب‌گری بالاتر برای دهیدروژناسیون جزئی استیلن کشف شده است.
در یک مطالعه جدیدتر، طیف‌بینی فوتوالکترونی اشعه-X درجا برای پایش تفکیک سطحی نانوذرات دو فلزی تحت شرایط واکنش به کار برده شده است و مشاهده شده است که ترکیب دو فلزى روی سطح نانوذره با تعویض محیط گازی شیمیایی بین شرایط احیاکنندگی و اکسیدکنندگی جابه جا می‌شود. این دیدگاه جدید ممکن است منجر به توسعه کاتالیست‌های هوشمندی شود که ساختار سطحی‌شان به طور مفیدی وابسته به محیط واکنش است.

پایه‌های کاتالیست نانومقیاس
پایه‌های کاتالیست معمولا از نانومواد کربنی یا اکسیدهای میکرو یا مزومتخلخل با سطح ویژه بالا ساخته می‌شوند. این پایه‌ها کاتالیست‌های فلزی را پایدار کرده و مانع سنتز شدن آن‌ها در دماهای بالای واکنش می‌شوند. بعضی از پایه‌ها، به ویژه اکسیدهای احیاء کننده می‌توانند فعالیت و انتخاب‌گری کاتالیست‌های فلزی فعالی را نیز تقویت کنند. بسیاری از ابداعات در زمینه طراحی مواد پایه نانوساختار است. یک مثال در این زمینه افزایش قابل توجه پایداری حرارتی یک کاتالیست هسته-پوسته است که در آن نانوذرات پلاتین با لایه نازکی از سیلیکای متخلخل روکش‌دهی می‌شود. مثال جالب دیگر عبارت است از استفاده از نانوذرات هیبریدی اکسید معدنی – نانولوله‌های کربنی به عنوان پایه‌ای برای واکنش‌های انتقال - فاز (واکنش‌دهنده‌ها و محصولات در فازهای مختلف هستند) جهت ساده‌سازی فرآیندهای جداسازی و خالص‌سازی، این نانوذرات هیبریدی امفیفیلیک (اب‌دوست- ابگریز) هستند و امولسیون‌های آب-روغن را پایدار می‌کنند. کاتالیست‌های فلزی پایدار شده روی این پایه هیبریدی، ترجیحا در فصل مشترک آب-روغن (جایی که واکنش‌های کاتالیستی انتقال - فاز اتفاق می‌افتند) باقی می‌مانند. این امولسیون‌ها بی نهایت پایدار هستند و می‌توان آن‌ها را به اسانی با یک فیلتراسیون ماده از مایع دو فازی جدا کرد و نانوذرات هیبریدی بازگشتنی را نیز می‌توان بدون هیچ عملیات ویژه‌ای بازیافت کرد. همچنین شرح داده شده است که این مواد هیبریدی می‌توانند واکنش‌های تراکم آلدولی و هیدروداکسیداسیون دو فازی را نیز کاتالیز کنند.

فناوری نانو در کاربردهای انرژی
در حال حاضر توسعه فناوری‌های انرژی پاک موثر اهمیت زیادی دارد و برای امنیت پایدار زیست محیطی و انرژی جامعه بشری ضروری است. انتقال و ذخیره سازی انرژی در نانومواد به واسطه اثرات کوانتومی بر حامل‌های انرژی از قبیل فوتون‌ها، الکترون‌ها و مولکول‌ها، با آنچه در مواد توده‌ای است به طور قابل توجهی متفاوت است. نانوعلم نیز اکنون روی استفاده از این اثرات نانومقیاسی برای فناوری‌های انرژی موثر از قبیل فوتوولتانیک، پیل‌های خورشیدی، ترموالکتریک، پیل‌های سوختی و باتری‌ها متمرکز شده است. برای مثال جذب موثر نور برای تولید حامل‌های بار در یک جامد، در مقیاس چندصد نانومتر (طول موج نور) اتفاق می‌افتد. مسیر آزاد متوسط حامل بار تحریک شده، خیلی کوتاه‌‌تر از طول موج نور است. برای رسیدن به جذب موثر فوتون‌ها و جمع‌آوری حامل‌های بار تحریک شده در یک افزاره فوتولئائیک می‌توان از نانوساختارهای یک بعدی نظیر نانوسیم‌های نیمه‌رسانایی استفاده کرد که یک بعدشان بزرگ‌تر از طول موج نور است و دیگر ابعادشان از مسیر آزاد متوسط حامل‌های بار کوتاه‌‌تر هستند.

تبدیل انرژی خورشیدی
انرژی خورشیدی مهم‌ترین منبع انرژی جایگزین تجدیدپذیر و پاک است (تحت شرایط ایده‌آل، توان تابش روی یک سطح افقی هزار وات بر مترمربع است). پیل‌های فوتوولتائیک با جداسازی جفت‌های حفره-الکترون تحریک شده در مواد فوتوولتائیک، انرژی فوتون‌ها را مستقیما به الکتریسیته تبدیل می‌کنند. پیل‌های فوتوالکتروشیمیایی حفره‌ها و الکترون‌های تحریک‌شده را برای کاتالیز واکنش‌های ردوکسی (اکسایش - احیاء) استفاده می‌کنند. این واکنش‌ها می‌توانند آب یا دی اکسید کربن را برای تولید سوخت تجزیه کنند.
۱. جمع آوری نور خورشید: مواد فوئوولتانیک نانوساختار می‌توانند راندمان افزاره‌های مبتنی بار انرژی خورشیدی را به طور قابل توجهی بهبود دهند. برای جذب نور خورشید در گستره کامل طیف تابشی، چندین روش شامل درج نقاط کوانتومی یا چاه‌های کوانتومی در لایه جذب نور، پیشنهاد شده است. این لایه جذب از نانوساختارهای نیمه‌رسانای حساس شده با رنگ دانه استفاده می‌کند و تولید تحریک چندگانه (MEG) مشاهده شده در نانوبلورهای نیمه‌رسانا، را به کار می‌گیرد. MEG یکی از روش‌های نویددهنده برای راندمان‌های بسیار بالای پیل‌های خورشیدی است. در فرایند MEG، جاذب یک فوتون منفرد چندین جفت الکترون-حفره (اکسیاتون) تولید می‌کند، بنابراین راندمان کوانتومی داخلی (IQE) برای تبدیل فوتون‌ها به حامل‌های بار ممکن است تا ٪۱۰۰ افزایش یابد.

۲٫ جداسازی بار: به محض اینکه جفت‌های الکترون-حفره از یک فوتون تحریک شده تشکیل شدند، قبل از بازترکیب، طول عمر محدودی دارند. برای جداسازی موثر الکترون و حفره، ساختارهای نامتجانس متنوعی شامل نانوموادی از قبیل فیلم‌های نازک، نانو‌سیم‌ها، و نانوذرات حساس شده با رنگدانه، طراحی و سنتز شده‌اند. پیل‌های خورشیدی حساس شده با رنگدانه روش ارزانی برای توسعه افزاره‌های فوئوولتانیک بسیار موثر پیشنهاد می‌کنند. با اتصال یک حساس کننده به نانوذرات نیمه‌رسانا (از قبیل تیتانیا)، الکترون‌های تحریک شده به وسیله‌ای فوتون در حساس‌کننده رنگدانه‌ای به طور موثری به باند هدایت تیتانیا منتقل می‌یابند و این راندمان جمع‌آوری نور را با کاهش باز ترکیب بار افزایش می‌دهد.

۳٫ تولید سوخت شیمیایی: علاوه بر تبدیل نور به بار، چندین عامل دیگر وجود دارد که راندمان پیل‌های فوتوالکتروشیمیایی (PEC) را محدود می‌کند. یک پیل فوتوالکتروشیمیایی سیستم فوتوکاتالیستی است که واکنش‌های ردوکسی را با استفاده از جفت‌های الکترون -حفره تولید شده به وسیله‌ی فوتون‌ها کاتالیز می‌کند (واکنش اکسایش در سطح آند با حفره و واکنش احیا در سطح کاتد با الکترون کاتالیز می‌شوند). برای پیلهای PEC مبتنی بر نیمه‌رسانا، نیمه‌رسانا باید خواص زیر را داشته باشد:

الف) باند گپ نیمه‌رسانا باید بزرگ‌تر از اختلاف پتانسیل تعادلی بین دو واکنشی ردوکسی باشد.
ب) سطح انرژی باند هدایت باید بزرگ‌‌تر از پتانسیل واکنش احیاء روی کاتد و سطح انرژی باند ظرفیت باید کمتر از پتانسیل واکنش اکسایش روی آند باشند.
ج) از آنجایی که این واکنش‌ها روی سطح اتفاق می‌افتند، سطح ویژه الکترودها برای تهیه یک سرعت تبدیل بالا، به اندازه کافی بزرگ باشد.

در حال حاضر دو فرایند تبدیل انرژی فوتوکاتالیستی با ارزش اما چالش‌انگیز مورد توجه است: الکترولیز آب به هیدروژن و اکسیژن و تبدیل دی اکسید کربن و بخار آب به سوخت‌های هیدروکربنی، الکترودهای نانوساختار سطح ویژه بزرگی برای واکنش‌های فوتوکاتالیز شده فراهم می‌کنند با کنترل اندازه، شکل، ترکیب شیمیایی و اتصالی نامتجانس مواد نیمه‌رسانا، نانومواد فرصتی برای انجام هم‌زمان تبدیل نور خورشید به بار و تبدیلات شیمیایی در سطوح الکترودها فراهم می‌کنند. گزارش شده است که فوتوکاتالیست‌های نانو کامپوزیتی (Ga1-xZnx )(N1-xox) همراه با Rh2-y Cry o3 به عنوان کوکاتالیست، تحت نور مرئی ۴۲۰ تا ۴۴۰ نانومتر برای تجزیه اب راندمانی به بزرگی ٪۹/۵ دارند.

پیل‌های سوختنی و باتری‌ها
پیل‌های سوختنی و باتری‌ها مانند پیل‌های سوختی غشاء - الکترولیت - پلیمری، پیل‌های سوختی اکسید - جامد، و باتری‌های لیتیومی، سیستم‌های الکتروشیمیایی برای تبدیل انرژی بین انرژی شیمیایی و الکتریسیته هستند. آن‌ها شامل یک آند و یک کاتد جدا شده به وسیله‌ی یک الکترولیت هستند. جفت واکنش‌های اکسایش و احیاء روی سطوح الکترود منجر به تولید جریان الکتریکی می‌شود. کاربرد نانومواد می‌تواند راندمان پیل‌های سوختی و چگالی ذخیره انرژی باتری‌ها را به طور قابل توجهی بهبود دهد. یک عامل معمولی محدود کننده راندمان سیستم‌های الکتروشیمیایی هدایت یونی الکترولیت است. در تحقیقات منتشر شده نشان داده شده است که انتقال یونی را می‌توان با استفاده از کامپوزیت‌های نانوساختار به شدت افزایش داد. این پدیده که معروف به نانویونی است، به انتقال سریع یون در لایه بار فضایی در فصل مشترک نامتجانس بین یک ماده عایق با چگالی بالای بار سطحی و یک ماده رسانای یونی، نسبت داده می‌شود.
در یک کامپوزیت نانوساختار کاهش ضخامت لایه بار فضایی، چگالی بار سطحی را افزایش می‌دهد، این ساختار به شدت فشرده برای ارائه مسیرهای انتقال یون، مناطق بار فضایی نانومقیاسی متصل به همدیگری ایجاد می‌کند. برای مثال کامپوزیتی که در ان Lil در آلومینیای مزومتخلخلی نفوذ کرده است، ممکن است در دمای اتاق ضریب هدایتی حدود ۱۰۰ برابر ضریب هدایت LiI خالصی داشته باشد. این افزایش ضریب هدایت یونی در یک الکترولیت غیرآبی بعد از افزودن نانوذرات سیلیکا نیز مشاهده شده است.
استفاده از نانومواد در ساخت الکترودهای پیل‌های الکتروشیمیایی ممکن است ظرفیت ذخیره بار باتری و سرعت واکنش‌های ردوکسی در پیل‌های سوختی را افزایش دهد.
کامپوزیت‌های نانوساختار به واسطه اثر نانویونی در فصل مشترک‌ها می‌توانند ظرفیت ذخیره بار خیلی بالایی داشته باشند. برای مثال کامپوزیت‌های Li2 o)⁄Ru نانوساختار، ظرفیت ذخیره +Li بالایی که نه در Li2 o خالص و نه در Ru خالص دیده شده است، از خود نشان می‌دهند. برای الکترودهای مبتنی بر کربن، نانوموادی از قبیل نانولوله‌های کربنی، نانوشاخه‌های کربنی و گرافن پایه‌هایی با سطح ویژه بالا برای کاتالیست‌های فلزی هستند و ضریب هدایت عالی برای انتقال بار دارند.

فناوری نانو برای حفظ و نگهداری انرژی
۱٫ افزاره‌های ترموالکتریک: مواد ترموالکتریک ممکن است گرمای اتلافی تولید شده به وسیله‌ی موتورهای احتراق را به طور موثری به الکتریسیته تبدیل کنند که این راندمان انرژی کلی موتورها را بهبود می‌دهد. یک ماده ترموالکتریک بسیار موثر دو خاصیت باید داشته باشد: (۱) یک جریان نفوذ حامل بار بالا تحت یک گرادیان دما با سیستم گرمایشی ژولی حداقل شده. (۲) یک ضریب هدایت گرمایی پایین به طوری که بتوان در آن گرادیان دما بزرگی ایجاد کرد. برای مواد تودهای خالص، بهینه کردن این دو خاصیت به طور هم‌زمان مشکل است زیرا حامل باری مانند الکترون، حامل انرژی گرمایی نیز است. افزایش چگالی حامل بار ناگزیر منجر به افزایش ضریب هدایت گرمایی می‌شود. برای سال‌های متمادی است که راندمان انرژی افزاره‌های ترموالکتریک مبتنی بر مواد توده‌ای در کمتر از ۵٪ باقی مانده است. این راندمان خیلی کمتر از راندمان ژنراتورهای توان گرمایی مرسوم است.
مواد نانوساختار نویددهنده‌ی تبدیل انرژی ترموالکتریک موثرتر هستند. ایده اصلی مشاهده اختلاف بین طول‌های مسیرهای آزاد متوسط حامل بار غالب و حامل انرژی گرمایی مانند فونون در مواد نیمه‌رسانا، ناشی شده است. اگر طول مشخصه یک نانوماده بین این دو طول‌های مسیرهای آزاد متوسط باشد، این امکان وجود دارد که بتوان یکی از این خواص انتقالی را بهینه کرد در حالی که دیگری بدون تغییر باقی بماند. بهبود راندمان تبدیل انرژی به وسیله‌ی چندین نانوماده شامل سیستم ابرشبکه‌ای نقطه کوانتومی مبتنی بر PbTe، سیستم ابرشبکه‌ای دوبعدی Bi2 Te2-Sb2 Te2 و سیستم‌های نانوسیم سیلیکونی، گزارش شده است. افزایش راندمان‌ها به امپدانس جریان گرما به وسیله‌ی تفرق فوتون در فصل مشترک‌ها در این نانومواد نسبت داده می‌شود.
۲٫ افزاره نوردهنده موثر: نوردهی فقط حدود ۲۰٪ کل الکتریسیته تولید شده را استفاده می‌کند. توسعه افزاره‌های نوردهی پیشرفته با راندمان روشنایی بالا تأثیر زیادی روی صرفه‌جویی انرژی خواهد داشت. علاوه بر راندمان بالا، یک منبع نور باید قابلیت انتشار تمام رنگ‌های یک شیء را داشته باشد. در واقع نور منتشرشده باید بخش مهمی از گستره طیف مرئی را در بر بگیرد. دیود انتشار دهنده نور (LED) یکی از منابع نوردهی نویدبخش است که اخیرا به شدت مورد مطالعه قرار گرفته است. راندمان بالا و خواصی انتشاری خوب نیازمند آن هستند که ماده نیمه‌رسانای استفاده شده برای کاربردهای LED، هم بلورینگی و هم باند گپ قابل تنظیمی داشته باشد.
همچنان که اندازه نقطه کوانتومی کاهش می‌یابد، محدودیت کوانتومی سبب افزایش باند گپ و در نتیجه جابه جایی به سمت انتشار نور آبی می‌شود. شرح داده شده است که نانو سیم‌های تک بلوری Inx Ga1-x N را می‌توان با گستره ترکیبی کاملی از x=0 گرفته تا x=1 ساخت. انتشار فوتولومینسانس این نانوسیم‌ها گستره طیفی وسیعی از نزدیک مافوق بنفش گرفته تا نزدیک مادون قرمز را شامل می‌شود. نانوساختارهای نیمه‌رسانا، به دلیل کیفیت بلوری و انتشار قابل تنظیم شان به طور فعالی برای توسعه مواد انتشار دهنده نور مورد بررسی قرار گرفته‌اند.
۳٫ نانواصطکاک شناسی: اصطکاک مسئول بخش بزرگی از انرژی اتلافی در ماشین‌آلات مدرن از قبیل موتورهای هواپیمایی و احتراق درونی است. توسعه مواد جدید روانکاری یک وظیفه اصلی در اصطکاک شناسی است. اصطکاک شناسی، علم و فناوری دو سطح در حال حرکت که در تماس هستند، است. روانکارهای جامد مرسوم فیلم نازکی از گرافیت و دی کالکوژنایدهای (Dichalcogenide) فلزی و MX2 (M مولیبدن یا تنگستن و X گوگرد یا سلنیوم است) هستند. این مواد دارای برهم‌کنش‌های بین اتمی ضعیفی بین ساختارهای لایه‌ای خود هستند. استفاده از این مواد به شکل نانوذرات حفرهای شبه فولرینی می‌تواند منجر به کاهش بیشتر اصطکاک و افزایش پایداری در محیط‌های مرطوب شود. ساختار قفسه‌ای حفره‌دار نشان دهنده قابلیت ارتجاعی است و این امکان را فراهم می‌کند که ذرات بجای سرخوردن، غلت بزنند. حضور سطوح بلوری منحنی شکلی از اکسیداسیون جلوگیری می‌کند و از ساختار لایه‌ای داخلی این نانوذرات محافظت می‌کند.

نتیجه‌گیری
خواص جدید شیمیایی و فیزیکی نانومواد برای بسیاری از کاربردهای پیشرفته در توسعه فناوری‌های جدید تبدیلات شیمیایی و انرژی نویددهنده هستند. در این مطالعه، بحث شد که چگونه نانومواد می‌توانند به پیشرفت این فناوری‌ها در کاتالیز، جمع‌آوری انرژی خورشیدی، پیل‌های سوختی و باتری‌ها و تبدیلات انرژی، کمک بزرگی بکنند.
برای استفاده از این فرصت‌های بزرگ جایگزین شدن تدریجی فناوری نانوهای نویددهنده با فناوری‌های مرسوم، چالش‌هایی وجود دارد. در نانو کاتالیز رسیدن به انتخاب‌گری ٪۱۰۰ همان طور که در واکنش‌های آنزیمی دیده می‌شود، هنوز یک کار چالش انگیز است. در چندین زمینه دیگر از قبیل پیل‌های فوتوالکتروشیمیایی برای تجزیه آب و دی اکسید کربن و افزاره‌های ترمولکتریک، راندمان پایین نانوافزاره‌ای در حال حاضر نگرانی اصلی است. در بسیاری از کاربردهای فناوری نانو، توسعه روش‌های آرایش و سنتز قابل کنترل و با قابلیت افزایش مقیاسی برای ساخت نانوساختارهای پیچیده و بادوام، یکی دیگر از چالش‌های اصلی است. برای غلبه بر همه این چالش‌ها نیاز به درک فرآیندهای شیمیایی و فیزیکی داخل نانوساختارها، در سطح اتمی است.
توسعه تکنیک‌های آزمایشگاهی درجا برای تعیین مشخصات نانومواد تحت شرایط کاری اهمیت زیادی دارد. برای مثال، میکروسکوپ الکترونی عبوری و طیف بینی جذب اشعه X می‌توانند رشد نانوذرات در محلول را پایش کنند. درک مکانیزم‌های رشد نانوذرات ممکن است منجر به فرآیندهای سنتز نانوذرات قابل کنترل و با قابلیت افزایش مقیاس شود. تکنیک‌هایی از قبیل طیف‌بینی فوتوالکترونی اشعه X، طیف‌بینی نوسانی تولید مجموع - فرکانس و طیف‌بینی تونل‌زنی پیمایش‌گر، می‌توانند برای شناسایی سایت‌های فعال روی سطوح کاتالیست و مطالعه غیرفعال شدن سایت‌های فعال تحت شرایط واکنشی به کار روند. این اطلاعات به دست آمده برای طراحی نانو کاتالیست‌های جدید با فعالیت بالا، انتخاب‌گری بالا و طول عمر کاتالیستی زیاد لازم هستند.
به دلیل پیچیدگی افزاره‌ها در فناوری نانو، مدل‌سازی تئوریکی اکنون در طراحی افزاره‌ها یک نقش مهم روزافزون بازی می‌کند. یک تئوری خوب ممکن است که به درک و پیش بینی خواص جدید مرتبط با نانومواد کمک کنند. مدل‌سازی افزاره‌ای چندمقیاسی می‌تواند محدودیت تئوریکی راندمان هر جزء را تخمین بزند و عامل‌های محدود کننده راندمان کلی را شناسایی کند. طراحی‌های منطقی که مدل‌سازی تئوریکی را با تکنیک‌های ازمایشگاهی پیشرفته ترکیب می‌کنند، چرخه تحقیق و توسعه (R&D) فناوری نانوهای جدید را به شدت کوتاه خواهند کرد.

edu.nano.ir منبع

پاسخ دهید