Pin nhiên liệu của nhóm nghiên cứu do GS Yushan Yan ( Trường Đại học Delaware) dẫn đầu, hoạt động bằng phương thức chuyển đổi trực tiếp năng lượng hóa học của nhiên liệu thành điện năng, được sử dụng trong các xe lai điện – nhiên liệu sạch hoặc xe điện (EV) pin nhiên liệu.
GS Yan có nhiều năm nghiên cứu những tế bào nhiên liệu màng trao đổi hydroxit (HEM), một giải pháp thay thế kinh tế và thân thiện với môi trường cho các tế bào nhiên liệu trên cơ sở axit truyền thống, đang được sử dụng ngày nay.
Nhưng có một nhược điểm là pin HEM cực kỳ nhạy cảm với carbon dioxide trong không khí. Về cơ bản, carbon dioxide khiến phản ứng hóa học trong pin nhiên liệu HEM diễn ra khó khăn.
Khiếm khuyết này làm giảm công suất và hiệu suất của pin nhiên liệu lên tới 20%, khiến pin nhiên liệu không hiệu quả hơn động cơ xăng.
Module quấn xoắn ốc thu hydro và không khí qua hai cửa hút riêng biệt (bên trái), sau khi đi qua hai lớp màng phủ chất xúc tác có diện tích lớn thải khí carbon dioxide và không khí không carbon dioxide (hiển thị ở bên phải). Hình 2 là phương thức di chuyển của các phân tử trong màng đoản mạch. Ảnh: Đại học Delaware
Khi nghiên cứu kỹ về cơ chế, nhóm nhà khoa học nhận thấy rằng, các tế bào nhiên liệu hấp thụ tất cả các phân tử carbon dioxide đi vào, phân tách CO2 khỏi không khí.
Mặc dù vấn đề này là nhược điểm của pin nhiên liệu, nhưng nhóm nghiên cứu nhận thấy có thể tận dụng quá trình “tự tẩy” trong một bộ phận riêng biệt trước tổ hợp pin nhiên liệu, biến nhược điểm nay thành một thiết bị tách carbon dioxide. Có thể thu giữ 99% carbon dioxide ra khỏi không khí.
Nhóm nghiên cứu đã nhúng nguồn điện cho công nghệ điện hóa vào bên trong màng phân tách. Phương pháp này làm đoản mạch bên trong thiết bị, nhưng có thể kiểm soát được sự đoản mạch trong pin nhiên liệu này bằng hydro.
Trên cơ sở cấu trúc mới, nhóm nhà khoa học có một thiết bị điện hóa, tương tự như màng lọc bình thường tách các chất khí, nhưng với khả năng liên tục thu nhận carbon dioxide từ không khí như một hệ thống điện hóa phức tạp hơn.
Bên trong vỏ kim loại hình trụ là module quấn xoắn ốc. Khi hydro đưa vào thiết bị sẽ cung cấp năng lượng loại bỏ carbon dioxide. Phần mềm laptop vẽ biểu đồ nồng độ carbon dioxide trong không khí sau khi đi qua mô-đun. Ảnh: Đại học Delaware
Bản chất của nhúng dây dẫn điện vào bên trong màng tạo ra một đường ngắn, khiến các hạt carbon dioxide di chuyển từ bên này sang bên kia nhanh hơn đồng thời cho phép chế tạo một module xoắn ốc với diện tích bề mặt lớn trong một thể tích nhỏ.
Nhóm nghiên cứu thành công chế tạo một thiết bị nhỏ, có khả năng lọc không khí lớn, hiệu quả và tiết kiệm chi phí cho các pin nhiên liệu. Quan trọng hơn, sáng tạo này mở ra khả năng sản xuất thiết bị lọc khí dân dụng trên thị trường.
Kết quả cho thấy, một tế bào điện hóa có kích thước 5x5cm có thể liên tục loại bỏ khoảng 99% lượng carbon dioxide có trong không khí, chảy với tốc độ xấp xỉ 2 lít/phút. Một thiết bị xoắn ốc nguyên mẫu ban đầu có kích thước bằng một lon nước ngọt 340g (12 ounce) có thể lọc 10 lít không khí/phút, loại bỏ 98% lượng carbon dioxide,.
Nếu được lắp đặt cho ô tô sử dụng pin nhiên liệu, thiết bị có thể tích khoảng 4 lít. Thiết bị này có thể được sử dụng để loại bỏ carbon dioxide trong các phương tiện đặc chủng như tàu vũ trụ hoặc tàu ngầm, nơi yêu cầu liên tục lọc khí CO2. Trong tương lai, khi nguồn năng lượng hóa thạch chuyển sang thành năng lượng hydro, thiết bị điện hóa này sẽ được sử dụng trong máy bay và các tòa nhà.
