تهران- ایرنا- پژوهشگر دانشگاه صنعتی امیرکبیر، با ساخت و توسعه الکترودهای نانوساختار اکسید منگنز بر پایه گرافیت (MnOx/Graphite)، به سامانه‌ای الکتروشیمیایی برای اکسیداسیون مستقیم محلول‌های رقیق آمونیاکی و تولید هم‌زمان گاز نیتروژن و هیدروژن دست یافته است.
به گزارش روز چهارشنبه گروه علمی ایرنا، این الکترودها به دلیل ساختار مناسب، سطح فعال بالا و عملکرد الکتروشیمیایی مطلوب، علاوه بر کاربرد بالقوه در فناوری‌های ذخیره‌سازی انرژی، به‌ویژه ابرخازن‌ها و باتری‌ها، می‌توانند برای تصفیه پساب‌های آمونیاکی و حذف آلاینده آمونیاک همراه با تولید هیدروژن نیز مورد استفاده قرار گیرند.
این پژوهش توسط مرضیه جدا، پژوهشگر دانشگاه صنعتی امیرکبیر با راهنمایی نرگس فلاح، عضو هیأت علمی دانشگاه صنعتی امیرکبیر و مشاوره پروفسور چین‌پائو هانگ از دانشگاه دلاور آمریکا انجام شده است.
از مهم‌ترین دستاوردهای این تحقیق، دستیابی به عملکرد الکتروشیمیایی در ولتاژ عملیاتی حدود ۰٫۶ ولت و کاهش قابل‌توجه انرژی مورد نیاز برای اکسیداسیون آمونیاک است. همچنین، در شرایط بهینه آزمایشگاهی، غلظت آمونیاک به کمتر از ۱ ppm کاهش یافته و امکان تبدیل آن به گاز نیتروژن همراه با تولید هیدروژن مورد بررسی و تأیید قرار گرفته است.
در این پژوهش، الکترودها با روش الکترودیپوزیشن (Electrodeposition) ساخته شدند و بیش از ۳۰۰ نمونه با ترکیب‌ها و شرایط مختلف ساخت و عملیات حرارتی مورد بررسی قرار گرفتند. برای بررسی ساختار و ویژگی‌های سطحی الکترودها از روش‌هایی مانند FE-SEM، EDS، AFM و XPS استفاده شد. همچنین، عملکرد الکتروشیمیایی آن‌ها با آزمون‌هایی مانند پلاریزاسیون تافل (Tafel Polarization)، طیف‌سنجی امپدانس الکتروشیمیایی (EIS) و آزمون‌های دوام و پایداری ارزیابی شد. این بررسی‌ها به شناسایی الکترودهای مناسب‌تر و انتخاب شرایط بهینه برای افزایش فعالیت و طول عمر آن‌ها کمک کرد.
از مهم‌ترین نوآوری‌های این تحقیق می‌توان به ساخت الکتروکاتالیست یکپارچه، بادوام و کم‌هزینه بدون نیاز به بایندر، تنظیم و مهندسی فازهای مختلف اکسید منگنز برای بهبود عملکرد و پایداری، افزایش ظرفیت الکتروشیمیایی زیرلایه گرافیتی تا ۱۵ برابر و استفاده از مدل‌های هوشمند برای پیش‌بینی و بهینه‌سازی عملکرد الکترودها اشاره کرد. همچنین، طراحی الکترودهای پیشرفته برای ذخیره‌سازی انرژی و بررسی سازوکار واکنش اکسیداسیون انتخابی آمونیاک با استفاده از شبیه‌سازی دینامیک مولکولی، محاسبات DFT و یادگیری ماشین، از دیگر بخش‌های این پژوهش است.
این فناوری می‌تواند به توسعه روش‌های کم‌مصرف برای حذف آمونیاک، تولید هیدروژن و استفاده بهتر از محلول‌های آمونیاکی در سامانه‌های انرژی پاک کمک کند. همچنین، امکان استفاده از آن برای کاهش آلودگی ناشی از آمونیاک در پساب‌های صنعتی، به‌ویژه در صنایع پتروشیمی، پالایشگاهی و تولید کودهای شیمیایی، وجود دارد.
نتایج این پژوهش در قالب چهار مقاله علمی در حوزه‌های الکتروشیمی، ذخیره‌سازی انرژی و محیط زیست تدوین شده است. یکی از این مقالات در ژورنال معتبر Journal of Power Sources منتشر شده و سه مقاله دیگر نیز به‌ترتیب در مرحله داوری در ژورنال Advanced Energy Materials، پس از ارسال به ژورنال Renewable and Sustainable Energy Reviews و در مرحله نهایی‌سازی برای ارسال به ژورنال تراز اول Energy & Environmental Science قرار دارند. این مجموعه، نشان‌دهنده ابعاد علمی و بین‌رشته‌ای پژوهش و ظرفیت آن برای انتشار در مجلات معتبر بین‌المللی است.
گام بعدی این تحقیق، توسعه فناوری در مقیاس نیمه‌صنعتی، آزمایش آن با محلول‌ها و پساب‌های واقعی صنعتی، افزایش طول عمر الکترودها و طراحی راکتورهای بزرگ‌تر است.