کاتالیزورهای ارزان، خودروهای پاک را نجات می‌دهند

فناوری‌هایی که قرار است رویاهای ما را به حقیقت پیوند بزنند، چندان هم دور از دسترس نیستند و در آینده‌ای نزدیک، این چشم‌اندازها به کارهایی عادی و روزمره تبدیل می‌شوند.

نوپانا: چه می‌شود اگر بتوانید به راحتی از هوای بیابان آب بنوشید، بدون اینکه لازم باشد برای این کار الکتریسیته زیادی را از شبکه خطوط برق مصرف کنید یا یک دکتر بتواند بدون استفاده از حتی یک خراش، از بافت مشکوک به سرطان نمونه‌گیری کند؟ فناوری‌هایی که قرار است این رویاها و دیگر رویاهای ما را به حقیقت پیوند بزنند، چندان هم دور از دسترس نیستند. در واقع متخصصان پیش‌بینی می‌کنند طی چند سال آینده این چشم‌اندازها به کارهایی عادی و روزمره تبدیل شوند.

در سلسله مطالب پیش رو*، ۱۰ مورد از چنین فناوری‌های شگفت‌انگیز و نوظهوری، انتخاب و بررسی شده‌اند:

قسمت ششم: کاتالیزورهای ارزان برای پیشرفت خودروهای پاک

خودروهای الکتریکی که از باتری استفاده می‌کنند و انتشار دی‌اکسید کربن ندارند، کم‌کم تبدیل به محصولات در دسترس بازار می‌شوند. امروزه این‌ خودروها کمتر از ۱ درصد از تمامی خودروهای جهان را تشکیل می‌دهند، اما نوآوری‌های مختلف در خصوصیاتی چون هزینه‌ و عمر باتری باعث رقابتی شدن قیمت‌ها شده و سبب شده تسلا ۴۰ هزار پیش‌سفارش برای مدل ۳ خودروهای الکتریکی خود با قیمت ۳۵ هزار دلار دریافت کند که قرار است تا میانه‌های ۲۰۱۸ به جاده‌های جهان وارد شوند.

متاسفانه امید چندانی به خودروهای دیگری که کربن منتشر نمی‌کنند (مانند آنهایی که از سلول‌های سوخت هیدروژنی استفاده می‌کنند) نیست،‌ چون هنوز آن‌قدر گران هستند که فروش عمده‌ آنها ممکن نیست (قیمت فروش عمده‌ تولیدی برای خودروی تویوتا «میرای» نزدیک به ۵۷ هزار و ۵۰۰ دلار است)؛ اما مجموعه‌ای از آزمایشگاه‌ها و کسب‌وکارها قصد دارند این وضعیت را تغییر دهند. قصد آنها جایگزینی گران‌ترین عنصر در سلول‌های سوختی، یعنی کاتالیزور است. بسیاری از کاتالیزورهای تجاری برای سلول‌های سوختی شامل فلز گران‌قیمت پلاتینیوم می‌شوند که جدا از گران بودن، آن‌قدر کمیاب است که نمی‌توان از آن در خودروهای زیادی استفاده کرد.

کارشناسان در حال بررسی روش‌های مختلف برای کاهش نیاز به پلاتینیوم هستند:‌ مثلا استفاده‌ بهینه‌تر، جایگزینی آن با پالادیوم (که عملکرد مشابهی دارد اما ارزان‌تر است)، جایگزینی هر دوی این فلزات با انواع ارزان‌تری مثل نیکل یا مس، و آلیاژ تمامی این فلزات مختلف. کاتالیزورهای تجاری معمولا لایه‌ نازکی از نانوذرات پلاتینیوم را در خود دارند که روی یک پایه‌ کربنی سوار می‌شود. حالا محققان قصد دارند از مواد دیگری به جای این فلز استفاده کنند.

استانیسلاوس اس. وونگ در دانشگاه استونی‌بروک که همکاری نزدیکی با رادوسلاو آر. آزیک در آزمایشگاه‌های ملی بروک‌هیون دارد، در این زمینه بسیار پیشرو است. مثلا او و همکارانش مقادیر بسیار کمی از پلاتینیوم و پالادیوم را با فلزات ارزان‌تری چون آهن،‌ نیکل یا مس ترکیب کرده و انواع آلیاژهای مختلف را به وجود آورده‌اند که نسبت به کاتالیزورهای تجاری کارکرد بهتری را نشان می‌دهند. گروه وونگ این فلزات را به شکل نانو-سیم‌های یک بعدی و فوق‌العاده نازک (با ضخامت تقریبا ۲ نانومتر) درآورده‌اند. این نانو-سیم‌ها نسبت سطح به حجم بسیار بالایی دارند که میزان فضای فعال کاتالیزور را افزایش می‌دهند.

طبیعتا کاتالیزوری بدون پلاتینیوم بسیار عالی خواهد بود. کار با این کاتالیزورها جدیدتر است،‌ اما به‌همان سرعت پیش می‌رود. در اواخر ۲۰۱۶، سانگ هون‌جو از موسسه‌ ملی علوم و تکنولوژی اولسان (UNIST) در کره‌ جنوبی گزارش داد که کاتالیزوری به شکل نانو-تیوب از جنس کربن آغتشته به آهن و نیتروژن، فعالیتی برابر با کاتالیزورهای تجاری دارد. همچنین، لیمینگ دای و همکاران او از دانشگاه کیس‌وسترن موفق شده‌اند کاتالیزوری ابداع کنند که اصلا از فلز استفاده نمی‌کند؛ این کاتالیزور اسفنج کربنی آغشته به نیتروژن و فسفر است که فعالیتی استاندارد به عنوان یک کاتالیزور را نشان می‌دهد.

ابداع و آماده‌سازی موادی که فعالیت کاتالیزوری مناسبی از خود نشان دهند تنها بخشی از چالش است. محققان باید روی به‌مقیاس در آوردن روش‌های آزمایشگاهی هم کار کنند تا از کارکرد، ماندگاری و فعالیت یکنواخت بهترین گزینه اطمینان حاصل شود. در تمامی مراحل کار، نظریه‌پردازانی به کار کمک می‌کنند که با استفاده از مدل‌های پیچیده‌ کامپیوتری برای تعیین تاثیر فاکتورهای مختلف روی عملکرد کاتالیزورها بهره می‌برند – این فاکتورها از ترکیبات شیمیایی، اندازه و شکل نانوذرات فلز تا معماری دقیق برای حمایت از این ساختارها را شامل می‌شود. به گفته‌ی وونگ، این همکاری‌ها روزی طراحی هوشمندانه‌ کاتالیزورهای برتر برای خودروهایی با سلول‌های سوختی ارزان را ممکن خواهند کرد. البته یک سیستم حمل‌ونقل پایدار نه تنها به عدم انتشار کربن در زمان رانندگی وابسته است، بلکه در زمان تولید و توزیع سوخت هم، چه برق باشد و چه هیدروژن، باید همین فاکتور رعایت شود. بنابراین همچنان چالش‌های زیادی باید برطرف شوند.

(همچنین بخوانید: پیش به‌سوی فتح خیابان‌های مدرن)

* قسمت‌های مختلف این مطلب، حاصل همکاری مجله‌های معتبر Scientific American و World Economic Forum’s Expert Network است.