خبر کامل
توسعه نسل جدید سامانه‌های ذخیره‌سازی انرژی خورشیدی توسط محققان ایرانی و کره‌ای
محققان دانشگاه صنعتی اصفهان با همکاری دانشگاه اولسان کره جنوبی، گامی بلند در توسعه فناوری‌های ذخیره‌سازی انرژی خورشیدی برداشته‌اند. این دستاورد جدید، که بر پایه ابرخازن‌های فوتوشارژپذیر است، نویدبخش آینده‌ای روشن برای بهره‌برداری کارآمدتر از انرژی‌های تجدیدپذیر و کاهش وابستگی به سوخت‌های فسیلی است.
چالش جهانی انرژی و راهکار نوین
با افزایش روزافزون تقاضا برای انرژی و نگرانی‌های فزاینده زیست‌محیطی ناشی از مصرف سوخت‌های فسیلی، توسعه سامانه‌های کارآمد ذخیره انرژی تجدیدپذیر به یک اولویت جهانی تبدیل شده است. انرژی خورشیدی، به دلیل ماهیت متناوب تولید، نیازمند فناوری‌هایی است که بتوانند انرژی تولیدشده را به سرعت ذخیره و در زمان نیاز آزاد کنند. در این راستا، پژوهشگران ایرانی و کره‌ای بر طراحی ابرخازن‌های فوتوشارژپذیر متمرکز شده‌اند که قابلیت ذخیره مستقیم انرژی نور خورشید را در ساختار خود دارند.
طراحی و ساختار هیبریدی الکترودها
این پژوهش بر ساختارهای هیبریدی مبتنی بر نانولوله‌های دی‌اکسید تیتانیوم (TiO₂) تمرکز دارد. نانولوله‌های تیتانیومی پس از اصلاح سطحی با روش‌های پیشرفته، با لایه‌هایی از سولفید نیکل، سولفید کبالت و ترکیب دوتایی نیکل-کبالت سولفید پوشش داده شدند. این ساختار هیبریدی، که با نماد NCS@TNT شناخته می‌شود، به عنوان الکترود فوتواکتیو اصلی در سامانه ابرخازن به کار گرفته شد.
هدف اصلی: ذخیره‌سازی پایدار و سازگار با محیط زیست
هدف کلیدی این طرح، پاسخ به نیاز جهانی برای توسعه سامانه‌های ذخیره انرژی پاک، پایدار و سازگار با محیط زیست است. با افزایش سهم انرژی‌های تجدیدپذیر در شبکه‌های برق، چالش اصلی، عدم تطابق زمانی بین تولید و مصرف انرژی خورشیدی است. فناوری ابرخازن‌های فوتوشارژپذیر می‌تواند این شکاف زمانی را کاهش داده و امکان ذخیره سریع انرژی حاصل از تابش خورشید را فراهم آورد.
روش‌های پیشرفته مشخصه‌یابی و نتایج
برای ارزیابی دقیق ساختار و عملکرد مواد، مجموعه‌ای از روش‌های پیشرفته مشخصه‌یابی به کار گرفته شد، از جمله:
- آنالیز پراش پرتو ایکس (XRD): برای تعیین فاز کریستالی.
- میکروسکوپ الکترونی روبشی گسیل‌میدانی (FESEM): برای بررسی مورفولوژی سطح.
- میکروسکوپ الکترونی عبوری (TEM): برای مشاهده ساختار داخلی نانومواد.
- طیف‌سنجی پراکندگی انرژی پرتو ایکس (EDS): برای تحلیل ترکیب عنصری.
- طیف‌سنجی فرابنفش-مرئی (UV-Vis) و تحلیل سطح ویژه (BET): برای بررسی خواص نوری و الکتروشیمیایی.
نتایج نشان داد که الکترود NCS@TNT-۱ عملکرد بهتری در جداسازی و انتقال حامل‌های بار فوتونی دارد. یکی از دستاوردهای مهم این پژوهش، افزایش قابل توجه ظرفیت سطحی الکترود تحت تابش نور بود.
ظرفیت ویژه الکتروشیمیایی الکترود منتخب به حدود ۴۷۱.۶ میلی‌فاراد بر سانتی‌متر مربع در چگالی جریان ۰.۷ میلی‌آمپر بر سانتی‌متر مربع رسید که حدود ۱۱ برابر بیشتر از نانولوله‌های تیتانیومی بدون اصلاح سطحی است. همچنین در حضور نور، ظرفیت خازنی این الکترود تقریباً دو برابر افزایش یافت و به حدود ۹۵۵.۶ میلی‌فاراد بر سانتی‌متر مربع رسید.
پژوهشگران این افزایش ظرفیت را به سازوکار تولید و جداسازی جفت الکترون-حفره در ساختار نیمه‌هادی نسبت داده‌اند؛ به عبارت دیگر، تابش نور در این ساختار مانند یک کاتالیزور الکترونی عمل کرده و فرآیند ذخیره بار در سطح الکترود را تسهیل می‌کند.
پایداری و کاربردهای عملی
برای بررسی قابلیت کاربردی این فناوری، سه نمونه ابرخازن آسیمتریک فوتوشارژپذیر طراحی شد. در این سامانه‌ها، الکترود NCS@TNT-۱ در کنار الکترولیت ژلی پلی‌وینیل الکل–پتاسیم هیدروکسید (PVA-KOH) به کار گرفته شد. آزمون‌های چرخه‌ای پایداری عملکردی بالایی را نشان داد:
- پس از بیش از ۵۰۰۰ چرخه شارژ و دشارژ، حفظ ظرفیت در شرایط تاریکی حدود ۹۱.۴ درصد و در حضور نور حدود ۹۶.۷۵ درصد باقی ماند.
- در آزمایش‌های تا ۱۰۰۰۰ چرخه نیز سامانه پایداری ساختاری خود را حفظ کرد و افت ظرفیت قابل توجهی مشاهده نشد.
یکی از ویژگی‌های قابل توجه این فناوری، افزایش زمان دشارژ در حضور نور بود که نشان می‌دهد تابش نور نه تنها فرآیند شارژ را تقویت می‌کند، بلکه می‌تواند آزادسازی انرژی ذخیره‌شده را نیز کنترل‌پذیرتر کند. محاسبات چگالی انرژی و توان نیز قابلیت استفاده این سامانه را در تجهیزات الکترونیکی کم‌مصرف و سامانه‌های ذخیره انرژی توزیع‌شده تأیید می‌کند.
افق‌های آینده و همگرایی فناوری‌ها
پژوهشگران تأکید می‌کنند که اهمیت این تحقیق تنها در افزایش ظرفیت ذخیره انرژی خلاصه نمی‌شود، بلکه رویکرد ارائه‌شده می‌تواند پایه‌ای برای طراحی سامانه‌های خودشارژشونده در آینده باشد. این سامانه‌ها قادرند انرژی خورشیدی را دریافت کرده، آن را به بار الکتریکی تبدیل کنند و بدون نیاز به زیرساخت‌های پیچیده شبکه‌ای، انرژی را در خود ذخیره کنند.
کارشناسان حوزه انرژی معتقدند چنین فناوری‌هایی می‌تواند در کاربردهایی نظیر:
- حسگرهای هوشمند
- تجهیزات اینترنت اشیا (IoT)
- منابع تغذیه اضطراری
- دستگاه‌های الکترونیکی قابل‌حمل
مورد استفاده قرار گیرد. ترکیب نانوساختارهای نیمه‌هادی با مواد انتقالی فلزی نیز می‌تواند مسیر تازه‌ای در طراحی مواد فوتواکتیو ایجاد کند. استفاده از ساختارهای نانولوله‌ای دی‌اکسید تیتانیوم به دلیل سطح ویژه بالا، مسیرهای کوتاه انتقال الکترون و مقاومت مناسب در برابر خوردگی، گزینه‌ای مناسب برای نسل آینده سامانه‌های ذخیره انرژی به شمار می‌رود. این پژوهش نمونه‌ای از همگرایی فناوری نانو، فوتونیک و مهندسی انرژی است.
نتایج کامل این تحقیق در قالب مقاله‌ای با عنوان “Photo‑rechargeable asymmetric supercapacitors based on nickel–cobalt sulfide on titania as novel photo‑active electrodes” در نشریه معتبر Chemical Engineering Journal منتشر شده است.
درباره هوش‌مصنوعی دست‌اول:
تمامی اخبار دست‌اول توسط دستیار هوش مصنوعی «هوشنگ» پردازش، صحت‌سنجی، خلاصه و بازنویسی شده است. هوشنگ هر روز با داده‌های جدید آموزش داده می‌شود و با نظارت دقیق انسانی و سردبیری دست‌اول در حال بهتر شدن است.
شما می‌توانید از چت‌بات و سایر ابزارهای هوشنگ به صورت رایگان استفاده کنید.
