Để đạt được tiến bộ cho pin nhiên liệu tốt hơn cần bắt đầu từ những thứ “nhỏ” nhất

Một nghiên cứu hợp tác mô tả cách pin nhiên liệu sử dụng năng lượng hóa học để cung cấp năng lượng cho ô tô và thiết bị, có thể được phát triển bằng vật liệu nano để tiết kiệm chi phí và hiệu quả hơn trong dài hạn.

 

 

Vì các nguồn tái tạo như gió và mặt trời đang nhanh chóng thay đổi bối cảnh năng lượng, các nhà khoa học đang tìm cách để lưu trữ năng lượng tốt hơn khi cần thiết. Pin nhiên liệu, chuyển đổi năng lượng hóa học thành năng lượng điện, là một trong những giải pháp khả thi để lưu trữ năng lượng lâu dài và một ngày nào đó có thể được sử dụng để cung cấp năng lượng cho xe tải và ô tô mà không cần đốt cháy nhiên liệu. Nhưng trước khi pin nhiên liệu có thể được sử dụng rộng rãi, các nhà hóa học và kỹ sư cần phải tìm cách làm cho công nghệ này ổn định và hiệu quả hơn.

 

Một nghiên cứu mới từ phòng thí nghiệm của Giáo sư Tri thức Tích hợp Christopher Murray của Đại học Penn, do nghiên cứu sinh Jennifer Lee đứng đầu, cho thấy cách các vật liệu nano được thiết kế riêng có thể được sử dụng để giải quyết những thách thức này. Trong công trình trên tạp chí ACS Applied Materials & Interfaces, các nhà nghiên cứu chỉ ra cách một pin nhiên liệu có thể được chế tạo từ các kim loại rẻ hơn, phổ biến hơn bằng cách sử dụng thiết kế ở cấp nguyên tử cũng mang lại cho vật liệu sự ổn định lâu dài. Cựu Giáo sư Davit Jishkariani và các sinh viên cũ Yingrui Zhao và Stan Najmr, sinh viên hiện tại là Daniel Rosen, và các giáo sư James Kikkawa và Eric Stach, cũng đóng góp vào nghiên cứu này.

 

Phản ứng hóa học cung cấp năng lượng cho pin nhiên liệu dựa vào hai điện cực, cực dương âm và cực âm dương, được ngăn cách bởi chất điện phân, một chất cho phép các ion di chuyển. Khi nhiên liệu đi vào anode, một chất xúc tác sẽ phân tách các phân tử thành các proton và electron, sau đó chất này sẽ di chuyển về phía cathode và tạo ra một dòng điện.

 

Chất xúc tác thường được làm bằng kim loại quý, như bạch kim, nhưng vì các phản ứng hóa học chỉ xảy ra trên bề mặt vật liệu, nên bất kỳ nguyên tử nào không xuất hiện trên bề mặt vật liệu đều bị lãng phí. Điều quan trọng nữa là các chất xúc tác phải ổn định trong nhiều tháng và nhiều năm vì pin nhiên liệu rất khó thay thế.

 

Các nhà hóa học có thể giải quyết hai vấn đề này bằng cách thiết kế riêng các vật liệu nano có bạch kim ở bề mặt trong khi sử dụng số lượng lớn các kim loại phổ biến hơn, chẳng hạn như coban, để mang lại sự ổn định cho phần còn lại. Nhóm Murray vượt trội trong việc tạo ra các vật liệu nano được kiểm soát tốt, được gọi là nanocrystal, trong đó họ có thể kiểm soát kích thước, hình dạng và thành phần của bất kỳ vật liệu nano compozit nào.

 

 

Trong nghiên cứu này, Lee tập trung vào chất xúc tác trong cathode của một loại pin nhiên liệu cụ thể được gọi là pin nhiên liệu màng trao đổi proton. “Cathode có nhiều vấn đề, bởi vì vật liệu là bạch kim hay nền bạch kim, chúng rất đắt tiền và có tốc độ phản ứng chậm hơn.” Cô nói. “Thiết kế chất xúc tác cho cathode là trọng tâm chính của việc thiết kế một pin nhiên liệu tốt”.

 

Jishkariani giải thích, thách thức là tạo ra một cathode, trong đó các nguyên tử bạch kim và coban sẽ hình thành thành một cấu trúc ổn định. “Chúng tôi biết sự pha trộn giữa coban và bạch kim rất tốt; tuy nhiên, nếu bạn tạo ra hợp kim của hai thứ này, bạn đã thêm các nguyên tử bạch kim và coban theo một thứ tự ngẫu nhiên, ” ông nói. Việc thêm nhiều coban theo thứ tự ngẫu nhiên khiến nó lọt ra ngoài vào điện cực, có nghĩa là pin nhiên liệu sẽ chỉ hoạt động trong một thời gian ngắn.

 

Để giải quyết vấn đề này, các nhà nghiên cứu đã thiết kế một chất xúc tác làm bằng bạch kim và coban được phân lớp được gọi là pha liên kim loại (intermetallic). Bằng cách kiểm soát chính xác vị trí của từng nguyên tử trong chất xúc tác và khóa cấu trúc tại đó, chất xúc tác trong cathode có thể hoạt động trong thời gian dài hơn so với khi các nguyên tử được sắp xếp ngẫu nhiên. Như một phát hiện bổ sung đầy bất ngờ, các nhà nghiên cứu nhận thấy rằng việc thêm nhiều coban vào hệ thống dẫn đến hiệu suất cao hơn, với tỷ lệ bạch kim trên coban là 1-1, tốt hơn so với nhiều cấu trúc khác có tỷ lệ bạch kim trên coban cao hơn.

 

Bước tiếp theo sẽ là kiểm tra và đánh giá vật liệu liên kim loại trong các cụm pin nhiên liệu để so sánh trực tiếp với các hệ pin thương mại trên thị trường. Nhóm Murray cũng sẽ nghiên cứu những cách mới để tạo ra cấu trúc liên kim loại mà không cần nhiệt độ cao và xem việc thêm các nguyên tử phụ có cải thiện hiệu suất của chất xúc tác hay không.

 

 

Công việc này yêu cầu hình ảnh hiển vi có độ phân giải cao, công việc mà Lee đã làm trước đây tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Brookhaven nhưng nhờ những sáp nhập gần đây, giờ đây có thể được thực hiện tại Penn ở Trung tâm Công nghệ nano Singh. “Nhiều thí nghiệm cao cấp mà chúng tôi đã phải đi khắp đất nước, đôi khi là vòng quanh thế giới, giờ đây chúng tôi có thể thực hiện gần nhà hơn nhiều.” Murray cho biết. “Những tiến bộ mà chúng tôi có được từ kính hiển vi điện tử và tán xạ tia X là một bổ sung tuyệt vời cho những người làm công việc nghiên cứu chuyển đổi năng lượng và xúc tác.”

 

Lee cũng đã trực tiếp trải nghiệm cách nghiên cứu hóa học kết nối trực tiếp với những thách thức trong thế giới thực. Gần đây, cô đã trình bày công trình này tại hội nghị của Viện Kim loại Quý Quốc tế và nói rằng việc gặp gỡ các thành viên của cộng đồng kim loại quý đã khai sáng cho cô. “Có nhiều công ty đang xem xét công nghệ pin nhiên liệu và nói về thiết kế mới nhất của những chiếc ô tô chạy bằng pin nhiên liệu.”, cô cho biết. “Bạn có thể tương tác với những người nghĩ về dự án của bạn từ các khía cạnh khác nhau.”

 

Murray coi nghiên cứu cơ bản này là điểm khởi đầu hướng tới việc triển khai thương mại và ứng dụng trong thế giới thực, nhấn mạnh rằng tiến bộ trong tương lai dựa vào nghiên cứu hướng tới tương lai đang diễn ra hiện nay. “Nghĩ về một thế giới mà chúng ta đã thay thế rất nhiều nguyên liệu đầu vào dựa trên nhiên liệu hóa thạch truyền thống, nếu chúng ta có thể tìm ra sự chuyển đổi lẫn nhau giữa năng lượng điện và hóa học, điều đó sẽ giải quyết đồng thời một số vấn đề rất quan trọng.”

 

Nghiên cứu này được hỗ trợ bởi Văn phòng Công nghệ Pin Nhiên liệu Năng lượng Hoa Kỳ. Nghiên cứu này sử dụng các nguồn lực của Trung tâm Vật liệu nano Chức năng của Phòng thí nghiệm Quốc gia Brookhaven, được hỗ trợ bởi chương trình Nghiên cứu Sinh viên Sau đại học của Bộ Năng lượng Hoa Kỳ (SCGSR). Các phép đo đặc tính từ được hỗ trợ bởi Trung tâm Nghiên cứu Khoa học và Kỹ thuật Vật liệu của Quỹ Khoa học Quốc gia Grant DMR-1720530.

 

Christopher Murray là Giáo sư Tri thức Tích hợp của Penn với các nhiệm vụ tại hai trường tại Đại học Pennsylvania. Ông là Giáo sư Hóa học của Đại học Richard Perry tại Khoa Hóa học của Trường Nghệ thuật và Khoa học và là Giáo sư tại Khoa Khoa học và Kỹ thuật Vật liệu tại Trường Kỹ thuật và Khoa học Ứng dụng.

 

Davit Jishkariani là phó giám đốc kỹ thuật của Trung tâm Tổng hợp Hóa học và Hạt nano tại Đại học Pennsylvania.

 

Nguyễn Tiến Dũng dịch.

Nguồn: https://penntoday.upenn.edu/news/researchers-find-novel-way-using-engineered-nanomaterials-design-cost-effective-efficient-fuel

Tìm hiểu thêm thiết bị tán xạ tia X được dùng cho ứng dụng trên tại đây!