Kỹ thuật nano thúc đẩy hiện thực hóa pin nhiên liệu

Khác với pin lithium, công nghệ pin nhiên liệu sử dụng các phản ứng hóa học do chất xúc tác điều khiển để tạo ra điện năng. 

Hệ thống pin nhiên liệu tận dụng những nguyên tố dồi dào như oxy và hydro, có thể đạt được hơn 640 km trong một lần sạc, thực hiện trong vòng chưa đầy 5 phút.

Nhược điểm chính là các chất xúc tác, được sử dụng để kích hoạt các phản ứng chế tạo từ vật liệu quý hiếm (như bạch kim) hoặc quá nhanh chóng bị phân hủy để có thể sử dụng trong đời sống thực tế.

Với sự phát triển của vật liệu phụ gia mới, các nhà khoa học đã chế tạo được chất xúc tác sắt – nitơ – carbon bền vững và rẻ tiền hơn. Khi được đưa vào các phản ứng hóa học, vật liệu phụ gia bảo vệ hệ thống pin nhiên liệu khỏi hai sản phẩm phụ ăn mòn chi tiết mạnh nhất: các hạt không ổn định như nguyên tử, phân tử hoặc ion gốc tự do và hydro peroxit.

Kết quả công trình nghiên cứu của nhóm nhà khoa học được công bố trên tạp chí khoa học Nature Energy .

GS Shahbazian-Yassar, đồng tác giả nghiên cứu cho biết, trong phòng thí nghiệm nhóm nghiên cứu sử dụng kính hiển vi điện tử để chụp những hình ảnh chi tiết đến độ phân giải nguyên tử của vật liệu trong những điều kiện sử dụng khác nhau.

Thông qua các điều nghiên về cấu trúc, có thể biết rõ điều gì đang xảy ra trong cấu trúc nguyên tử của các chất phụ gia, xác định kích thước và đường kính của hạt nano khử gốc tự do, tỷ lệ tantali và oxit titan. Những nghiên cứu trong phòng thí nghiệm cho biết về trạng thái chính xác của hợp kim dung dịch rắn cần thiết cho phụ gia để bảo vệ pin nhiên liệu chống lại sự ăn mòn và thoái hóa. 

Kết quả các thí nghiệm cho thấy, cần phải có một dung dịch rắn gồm tantali và oxit titan, các hạt nano phải có kích thước khoảng 5 nanomet, tỷ lệ tantali trên titan oxit là 6-4 để chất xúc tác đạt hiệu quả cao nhất. Tỷ lệ này là điều kiện then chốt cho những đặc tính loại bỏ các gốc tự do của vật liệu hạt nano, dung dịch rắn hỗ trợ duy trì cấu trúc của môi trường phản ứng.

Khi vật liệu hạt nano khử gốc tự do được thêm vào các phản ứng của hệ thống pin nhiên liệu, sản phẩm phụ hydro peroxit giảm xuống từ 51% xuống còn 2%, mật độ dòng điện suy thoái của pin nhiên liệu giảm từ 33% xuống chỉ còn 3%.

Pin nhiên liệu là một giải pháp thay thế hiệu quả đối với pin điện do phạm vi hoạt động cao hơn, khả năng sạc nhanh, trọng lượng nhẹ hơn và thể tích nhỏ hơn, với điều kiện là có những giải pháp kinh tế để tách và lưu trữ hydro.

Nghiên cứu của các nhà khoa học tại UIC cung cấp một phương pháp giúp nhanh chóng hiện thực hóa các phương tiện chạy bằng pin nhiên liệu và các công nghệ pin nhiên liệu.