VINACHEM

Tuy các nguồn năng lượng gió và năng lượng Mặt Trời rất hữu ích để sản xuất điện năng không phát thải các chất gây ô nhiễm, nhưng chúng phụ thuộc vào sức gió và ánh nắng Mặt Trời, vì vậy nguồn cung nhiều khi không đáp ứng nhu cầu. Tương tự, các nhà máy điện năng lượng hạt nhân thường được vận hành ở công suất tối đa để đạt hiệu quả cao, vì vậy điện năng tạo ra không thể dễ dàng điều chỉnh tăng giảm theo nhu cầu sử dụng.

Trong nhiều thập niên qua, các nhà nghiên cứu đã tìm cách giải quyết một thách thức lớn: Làm thế nào để lưu trữ điện năng và đưa lên lưới điện khi cần thiết?

Mới đây, các nhà nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm quốc gia Idaho (Mỹ) đã giúp trả lời thách thức nêu trên bằng cách phát triển vật liệu điện cực cho thiết bị điện phân với khả năng chuyển hóa điện năng dư thừa và nước thành hydro. Khi nhu cầu điện tăng, thiết bị điện phân có thể hoạt động theo chiều ngược lại, chuyển hóa hydro thành điện để cung cấp cho lưới điện. Ngoài ra, hydro cũng có thể được sử dụng làm nhiên liệu gia nhiệt, nhiên liệu cho xe ôtô hoặc các ứng dụng khác.

Các nhà nghiên cứu tại Idaho đã cải thiện một loại thiết bị điện phân gọi là thiết bị điện phân sứ proton (PCEC), sử dụng điện năng để phân tách hơi nước thành H₂ và O₂.

Tuy nhiên, trong quá khứ những thiết bị kiểu như vậy thường có những hạn chế nhất định, đặc biệt là cần phải hoạt động ở nhiệt độ cao đến 800^oC. Nhiệt độ cao đòi hỏi phải sử dụng nguyên liệu đắt tiền và thường dẫn đến sự thoái hóa nhanh, khiến cho giá thành của thiết bị quá cao.

Các nhà nghiên cứu nói trên đã tìm ra vật liệu mới cho điện cực oxy, có thể hỗ trợ đồng thời phản ứng phân tách nước và phản ứng khử oxy. Vật liệu mới này là oxit của hợp chất perovskite. Khác với phần lớn các thiết bị điện phân thông thường, vật liệu này cho phép thiết bị điện phân chuyển hóa H₂ và O₂ thành dòng điện mà không đòi hỏi phải bổ sung H2.

Trước đây, các nhà nghiên cứu đã phát triển thiết kế kiểu mạng lưới 3D cho điện cực, cho phép sử dụng nhiều hơn diện tích bề mặt của điện cực cho phản ứng phân tách nước thành H2 và O2. Việc kết hợp hai sáng chế trên - vật liệu điện cực mới và thiết kế điện cực kiểu mạng lưới 3D – đã cho phép thiết bị điện phân hoạt động thuận nghịch và tự duy trì ở nhiệt độ 400-600^oC.

Các nhà nghiên cứu đã biểu thị tính khả thi của hoạt động thuận nghịch của PCEC ở nhiệt độ thấp, có khả năng chuyển hóa H₂ đã tạo ra trong chế độ thủy phân thành điện năng mà không cần cung cấp thêm H₂ từ bên ngoài, theo phương thức hoạt động tự duy trì. Đây là bước tiến lớn đối với các quá trình điện phân ở nhiệt độ cao.

Trong khi các điện cực oxy trước đây chỉ truyền dẫn điện tử và ion oxy, vật liệu perovskite mới còn có thể truyền dẫn thêm proton. Trên thực tế, điện cực có khả năng truyền dẫn như vậy cho phép phản ứng diễn ra nhanh hơn và hiệu quả hơn, vì vậy nhiệt độ vận hành có thể được giảm xuống trong khi vẫn đạt hiệu quả tốt.

Nhóm nghiên cứu cho biết, bí quyết nằm ở chỗ tìm ra cách bổ sung thêm một số phần tử vào vật liệu điện cực petrovskit nhằm đạt được tính chất truyền dẫn như trên – đây là quá trình được gọi là kích tạp. Họ đã áp dụng thành công một chiến lược kích tạp hiệu quả để phát triển vật liệu oxit giúp cho thiết bị điện phân đạt hiệu quả hoạt động tốt ở nhiệt độ thấp hơn.

HV, theo ScienceDaily 4.2020