دستاورد مشترک شیمیدانان ایرانی و آمریکایی در حوزه سیستم‌های ذخیره انرژی ابرخازنی

به گزارش خبرگزاری صدا و سیما، ضرورت رشد و توسعه سیستم‌های ذخیره انرژی الکتروشیمیایی ایمن، پاک، زیست سازگار و تجدیرپذیر تلاش‌های تحقیقاتی زیادی را به سمت الهام‌گیری از طبیعت به منظور بهبود و ارتقاء ویژگی‌های ساختاری و عملکردی مواد الکترودی و دیگر اجزاء سازنده باتری‌ها و ابرخازن‌ها موجب شده است. نانوکامپوزیت تهیه شده کارکرد ممتازی از خود در زمینه ذخیره انرژی ابرخازنی نشان می‌دهد.

در این بین، نگاهی دقیق و موشکافانه به فرآیند تولید و ذخیره انرژی در سیستم‌های بیولوژیک در حین فرآیند فتوسنتز و تنفس سلولی نشان می‌دهد که این فرآیند‌ها توسط تعداد زیادی از کوفاکتور‌ها و انتقال دهنده‌های الکترونی بین سلولی طی انواع واکنش‌های ردوکس سریع، برگشت‌پذیر و زنجیره‌ای با قابلیت و کارایی بالایی انجام می‌گیرند.

تحقیقات نشان داده که این انتقال دهنده‌های الکترونی از نظر ساختار شیمیایی عمدتاً اساس کینون و یا پتریدین دارند. از این‌رو شناسایی و یافتن منابع طبیعی غنی از این گونه‌های شیمیایی می‌تواند به عنوان یک راهکار موثر و امیدبخش برای بهبود و ارتقاء نسل آینده سیستم‌های ذخیره انرژی ساخت بشر تلقی شود.

لیگنین یکی از ترکیبات طبیعی غنی از گروه‌های ردوکس کینونی است. لیگنین، دومین بیوپلیمر فراوان موجود در طبیعت بعد از سلولز است که به صورت عمده در بخش چوبی درختان و گیاهان وجود دارد و باعث ایجاد استحکام و انسجام در آن‌ها می‌شود. لیگنین از نظر ساختاری از انواع حلقه‌های آروماتیک با گروه‌های عاملی مختلف ساخته شده و از این حیث غنی‌ترین منبع برای تولید ترکیبات آروماتیک بعد از نفت خام به حساب می‌آید.

اگرچه روش‌های مختلفی برای استخراج این ماده از گیاهان و درختان وجود دارد، اما فرم سولفون‌دار شده این ماده که با نام تجاری لیگنوسولفونات شناخته می‌شود به صورت فراوان به عنوان پسماند صنایع کاغذسازی در سراسر جهان تولید می‌شود که عمدتا برای تأمین انرژی در همین صنایع سوزانده می‌شود! ویژگی‌های ساختاری و رفتار شیمیایی چندگانه و منحصر به فرد این ماکرومولکول تجدیدپذیر اخیراً توجه پژوهشگران زیادی را به خود جلب کرده است.

در حالی که لیگنین به دلیل درصد بالای کربن تشکیل دهنده آن، می‌تواند به تنهایی و طی فرآیند‌های کربونیزه شدن و فعال‌سازی‌های فیزیکی و شیمیایی به عنوان ماده فعال الکترودی به کار گرفته شود، اما برای مصرف آن به عنوان منبعی از گروه‌های ردوکس کینون/ هیدروکینون لازم است که این ماده ذاتاً نارسانا، به طور موثری در یک شبکه رسانای ثانویه قرار گیرد تا مسیر‌های الکترونی لازم برای انتقال الکترون بین جمع کننده جریان و گونه‌های ردوکس کینون/ هیدروکینون آن برقرار شود.

از جمله این مواد رسانا می‌توان به پلی آنیلین اشاره کرد. رشته‌های پلیمری به دلیل هدایت الکترونی و یونی بالا می‌توانند با دربرگیری مولکول‌های لیگنوسولفونات به تبادل الکترون بین آن‌ها و سطح الکترود و فعال سازی گونه‌های عاملی ردوکس آن کمک کنند. علاوه بر این، گروه‌های عاملی مختلف و گروه‌های سولفونات موجود بر روی ماکرومولکول لیگنوسولفونات می‌توانند به عنوان قالبی برای هدایت سنتز پلیمر و نیز به عنوان دوپ کننده آن عمل کنند.

در این مطالعه، یک روش سنتز الکتروشیمیایی تک مرحله‌ای سریع با اعمال پالس‌های پتانسیل طراحی شده برای سنتز شبکه در هم تنیده پلی آنیلین- لیگنوسولفونات روی بستری از فیبر‌های کربنی ارائه شده است به گونه‌ای که مورفولوژی و خواص ساختاری و الکتروشیمیایی نانوکامپوزیت تهیه شده قابل تنظیم است.

در پلیمر‌های هادی از جمله پلی‌آنیلین، موازنه بار در حین فرآیند‌های اکسایش- کاهش عمدتا توسط ورود یون‌ها به داخل و خروج یون‌ها از پیکره پلیمر انجام می‌گیرد که این مسئله باعث آماس، چروک شدگی پلیمر و کاهش خواص مکانیکی و متعاقبا کاهش عمر چرخه‌ای این مواد الکترودی می‌شود.

وجود ماکرومولکول‌های بزرگ پلی‌آنیونی لیگنوسولفونات که در ماتریس رشته‌های پلی‌آنیلین به دام افتاده‌اند باعث می‌شود تا علاوه بر یون‌های SO۴، یون‌های کوچک و بسیار فعال‌تر +H نیز عهده‌دار فرآیند موازنه بار شوند. همین مسئله باعث بهبود قابل توجهی در عملکرد ابرخازنی نانوکامپوزیت به دست آمده از نظر سرعت پذیری و عمر چرخه‌ای در مقایسه با پلی‌آنیلین و نیز سایر مواد الکترودی در مطالعات مشابه شد که قابلیت این ماده الکترودی را برای ساخت ابرخازن‌های پیشرفته، عاری از فلز و زیست سازگار نشان می‌دهد.

به نقل از دیده بان علم ایران، حاصل این کار پژوهشی گروهی که با محوریت گروه تحقیقاتی پروفسور میرفضل الله موسوی با همکاری ندا دیانت، دانش آموخته دکتری، دکتر ابوالحسن نوری هر سه از دانشگاه تربیت مدرس، دکتر محمدصفی رحمانی فر از دانشگاه شاهد و پروفسور ریچارد کینر (Richard B. Kaner) و دکتر ماهر الکادی (Maher F. El-Kady) از دانشگاه کالیفرنیا در لس آنجلس (UCLA) آمریکا صورت پذیرفت، در مجله Nano Letters از انتشارات انجمن شیمی آمریکا به چاپ رسیده است.