رونق هوش مصنوعی فشار بیسابقهای بر شبکه برق آمریکا وارد کرده است. برآوردها نشان میدهد تا سال ۲۰۳۰، مراکز داده ممکن است نزدیک به ۱۲ درصد از کل مصرف انرژی این کشور را به خود اختصاص دهند. کارشناسان هشدار دادهاند که افزایش سریع تقاضای مراکز داده از رشد ظرفیت تأمین انرژی پیشی گرفته و این موضوع میتواند قابلیت اطمینان شبکه برق را کاهش داده و هزینههای مصرفکنندگان را افزایش دهد.
برای حل این مشکل، شرکتهای فناوری در حال بررسی راههایی هستند تا برق مورد نیاز مراکز داده را مستقیماً تأمین کنند و وابستگی آنها به شبکه برق کاهش یابد. یکی از گزینههای مطرح، استفاده از سلولهای سوختی هیدروژنی در محل مراکز داده است. این مولدهای انرژی با ترکیب هیدروژن و اکسیژن برق تولید میکنند و برای سرعت بخشیدن به این واکنش از کاتالیزور استفاده میکنند. کاتالیزور مناسب میتواند اتلاف انرژی را کاهش دهد، عملکرد کلی سلول سوختی را بهبود ببخشد و عمر مفید آن را افزایش دهد. با این حال، کاتالیزورهای موجود هنوز فعالیت و دوام کافی برای پاسخگویی به نیازهای مراکز داده را ندارند.
در پژوهشی که در تاریخ ۶ اوت منتشر شده، محققان روش جدیدی را برای برطرف کردن این محدودیتها معرفی کردهاند. این روش میتواند زمینه استفاده گستردهتر از سلولهای سوختی هیدروژنی را نهتنها در مراکز داده، بلکه در سایر فناوریهای پرمصرف انرژی نیز فراهم کند.
چالش های موجود
پلاتین یکی از مؤثرترین کاتالیزورهای شناختهشده است، اما قیمت بالای آن باعث شده تولیدکنندگان سلولهای سوختی تلاش کنند تا بدون کاهش عملکرد کاتالیزوری، از کمترین مقدار ممکن پلاتین استفاده کنند. یکی از راههای دستیابی به این هدف، تبدیل پلاتین به نانوذرات بسیار کوچک است. این کار سطح بیشتری از پلاتین را در معرض مولکولهای واکنشدهنده قرار میدهد.
به این ترتیب، تولیدکنندگان میتوانند از مقدار بسیار کمی پلاتین استفاده کنند، اما این روش یک مشکل نیز دارد. نانوذرات پلاتین ممکن است هنگام کار سلول سوختی حل شوند، جابهجا شوند یا به مرور رشد کنند و در نتیجه عملکرد سلول سوختی بهتدریج کاهش پیدا کند.
کاتالیزورهای بینفلزی پلاتین که پلاتین را با فلز دیگری مانند کبالت در یک ساختار اتمی منظم ترکیب میکنند، بهعنوان گزینهای امیدوارکننده برای افزایش فعالیت و پایداری کاتالیزور در سلولهای سوختی هیدروژنی مطرح شدهاند. با این حال، برای استفاده حداکثری از پلاتین و حفظ اندازه کوچک و پراکندگی مناسب نانوذرات، تولیدکنندگان باید این مواد را در دمای کمتر از ۷۰۰ درجه سانتیگراد تولید کنند.
این موضوع مشکل دیگری ایجاد میکند، زیرا این دما معمولاً برای تبدیل ساختار اتمی نامنظم به یک ساختار بسیار منظم کافی نیست. ایجاد چنین ساختار منظمی برای افزایش حداکثری فعالیت و دوام کاتالیزور ضروری است.
راه کار دانشمندان
محققان به سرپرستی گانگ وو، استاد مهندسی شیمی در دانشگاه واشنگتن، معتقدند راهحلی برای این مشکل پیدا کردهاند. آنها یک ساختار نانویی کربنی ایجاد کردهاند که مانند یک داربست عمل میکند و تعداد زیادی نانوذره بینفلزی پلاتین-کبالت را در کنار یکدیگر و در عین حال بهصورت یکنواخت نگه میدارد. این ساختار همچنین امکان ایجاد ساختار بینفلزی منظم را در دماهای بسیار بالاتر فراهم میکند، بدون اینکه نانوذرات به یکدیگر بچسبند و تجمع پیدا کنند.
وو در بیانیهای گفت: «به لطف این پایه ویژه با ساختار نانویی کربنی، توانستیم کاتالیزور پلاتین-کبالت را تا دمای ۱۰۰۰ درجه سانتیگراد گرم کنیم. این دما برای ایجاد یک ساختار بسیار منظم کافی است، در حالی که اندازه نانوذرات همچنان کمتر از ۵ نانومتر باقی میماند و بهخوبی در سطح پراکنده میشوند؛ حتی زمانی که مقدار پلاتین موجود در کاتالیزور به سطح بالایی میرسد که مورد علاقه صنعت است.»
به گفته وو، این ساختار نانویی کربنی علاوه بر پایدار نگه داشتن نانوذرات، حرکت پروتونها، اکسیژن و آب را درون الکترود نیز آسانتر میکند. او افزود: «در نتیجه، نانوذرات پلاتین-کبالت که در این ساختار قرار گرفتهاند، عملکردی در سطح برترین نمونههای موجود و دوام بسیار بالایی از خود نشان دادند.»
آزمایشها نشان دادند این ساختار نانویی کربنی پس از ۱۵۰ هزار چرخه ولتاژی تحت شرایط سخت، همچنان ۸۵ درصد از عملکرد اولیه خود را حفظ میکند. این میزان احتمالاً معادل حدود ۲۵ هزار ساعت کارکرد است.
