VINACHEM

Mới đây, một nhóm kỹ sư tại Đại học Delaware (Mỹ) đã phát triển thành công một công nghệ có khả năng sản xuất pin nhiên liệu rẻ hơn và bền hơn, đây là một bước đột phá giúp đẩy nhanh quá trình thương mại hóa các dòng xe sử dụng pin nhiên liệu.

Pin nhiên liệu hydro là một giải pháp thay thế xanh cho các động cơ đốt trong vì nó sinh ra năng lượng thông qua các phản ứng điện hóa, không gây ô nhiễm môi trường.

Các chất xúc tác là tác nhân thúc đẩy các phản ứng điện hóa đó. Platin là chất xúc tác phổ biến nhất được dùng trong pin nhiên liệu của các động cơ xe. Tuy nhiên, giá platin rất đắt (khoảng 30.000 USD/kg). Vì thế, nhóm kỹ sư Delaware đã chế tạo một chất xúc tác từ hợp chất vonfram cacbua (có giá khoảng 150 USD/kg). Họ đã sản xuất các hạt nano vonfram cacbua theo một phương pháp mới, với kích cỡ nhỏ hơn và có khả năng mở rộng hơn so với các phương pháp trước đây.

Giám đốc Trung tâm xúc tác đổi mới năng lượng của Đại học Delaware cho biết, vật liệu trên thường được chế tạo ở nhiệt độ rất cao (khoảng 1500^oC); ở những nhiệt độ này, nó trở lên lớn hơn nhưng chỉ có diện tích bề mặt nhỏ để phản ứng hóa học xảy ra. Phương pháp của các kỹ sư tại Đại học Delaware là một trong những phương pháp đầu tiên chế tạo vật liệu nano có diện tích bề mặt lớn, thích hợp để áp dụng cho các phản ứng xúc tác.

Nhóm nghiên cứu đã tạo ra các hạt nano vonfram cacbua thông qua một chuỗi công đoạn bao gồm xử lý thủy nhiệt, tách, khử, cacbit hóa và một số công đoạn khác. Họ cho biết, họ có thể tách riêng các hạt nano vonfram cacbua trong quá trình sản xuất và đạt được sự phân bố cỡ hạt rất đồng đều.

Sau đó, các nhà nghiên cứu kết hợp các hạt nano vonfram cacbua vào lớp màng của pin nhiên liệu. Các pin nhiên liệu của xe ôtô, được biết đến như pin nhiên liệu với màng trao đổi proton (PEMFC), thường có một màng polyme. Màng này tách riêng cực âm và cực dương. Tại cực âm hydro (H₂) được tách thành các ion (proton) và được đưa đến catot, tạo ra dòng điện.

Màng chất dẻo nói trên thường bị hao mòn theo thời gian, đặc biệt nếu nó trải qua nhiều chu kỳ ướt/ khô - điều này rất dễ xảy ra vì nước và nhiệt luôn được sinh ra trong suốt các phản ứng điện hóa ở pin nhiên liệu. Nếu vonfram cacbua được đưa vào lớp màng của pin nhiên liệu, nó sẽ làm ẩm màng này, nhờ đó tối ưu hóa hiệu suất hoạt động của pin.

Nhóm nghiên cho biết, vonfram cacbua thu giữ các gốc tự do có hại trước khi chúng làm thoái hóa màng pin nhiên liệu. Nhờ đó, màng kết hợp các hạt nano vonfram cacbua có thể có tuổi thọ cao hơn so với màng bình thường.

Khi đưa vào màng pin nhiên liệu, chất xúc tác giá rẻ mà các kỹ sư tại Đại học Delaware đã phát triển sẽ cải thiện hiệu suất và mật độ năng lượng của pin. Kích thước của pin nhiên liệu có thể giảm nhưng công suất không thay đổi, khiến cho chúng nhẹ hơn và rẻ hơn. Hơn nữa, chất xúc tác trên mang lại hiệu suất cao hơn mà không ảnh hưởng đến độ bền của pin.

Nhóm nghiên cứu đã sử dụng các phương pháp mới để kiểm tra độ bền của pin nhiên liệu với xúc tác vonfram cacbua. Họ sử dụng kính hiển vi quét điện tử và chùm tia ion tập trung để thu được hình ảnh lát mỏng của màng pin nhiên liệu, sau đó phân tích bằng phần mềm và tái tạo cấu trúc ba chiều của màng để xác định tuổi thọ của pin.

Nhóm nghiên cứu đã xin cấp bằng sáng chế cho phát minh trên và họ hi vọng có thể thương mại hóa công nghệ mới này.

Phạm Huệ

Theo ScienceDaily, 9/2017