Nano bạch kim – niken cho khả năng lưu trữ điện bằng hydro

Chuyển đổi năng lượng điện thành hydro để lưu trữ

Chính phủ Hà Lan đặt mục tiêu đến năm 2050, cung cấp hầu như tất cả các nhu cầu năng lượng của nước này từ các nguồn năng lượng bền vững, thân thiện với môi trường. Vấn đề quan trọng đặt ra là bằng cách nào có thể lưu trữ năng lượng được tạo ra để tiêu thụ trong những thời gian không sản xuất được vì thời tiết.

Do mật độ năng lượng thấp và giới hạn khai thác sử dụng, pin (bình ắc quy) hiện nay không phù hợp để lưu trữ lượng năng lượng lớn trong thời gian dài. Nhà nghiên cứu Emiel Hensen đã đề xuất một giải pháp hiệu quả hơn là sử dụng nguồn năng lượng, được lưu trữ trong các liên kết hóa học.

Đó là sử dụng nước và thiết bị điện phân chuyển đổi năng lượng điện thành hydro, sau đó lưu trữ. Trong giai đoạn tiếp theo, để sử dụng năng lượng pin nhiên liệu sẽ làm ngược lại là chuyển đổi hydro lưu trữ thành năng lượng điện. Cả hai công nghệ chuyển đổi đòi hỏi chất xúc tác để thúc đẩy quá trình hóa học này.

Chuyển hóa điện tái tạo thành khí hydro, lưu trữ năng lượng. Ảnh Advanced Science News

Hensen cho biết, ông muốn phát triển một thiết bị điện phân có kích thước bằng tủ lạnh, nhưng có khả năng lưu trữ đến 10 megawatt năng lượng. Bạch kim có hoạt tính cao, nhưng lại đắt và khan hiếm, rất hạn chế sử dụng quy mô lớn trong các công nghệ như vậy.

 Phối hợp với nhóm nghiên cứu Hà Lan, các nhà nghiên cứu cao cấp của từ Trung Quốc phát triển một hợp kim từ bạch kim và niken, giúp giảm chi phí và tăng cường hoạt tính.

Bằng các tính toán hóa học lượng tử, các nhà khoa học Hà Lan có thể dự đoán hoạt động của hợp kim mới và tính hiệu quả của chất xúc tác mới này.

Thử nghiệm thành công trong pin nhiên liệu hydro

Ngoài việc chế tạo hợp kim xúc tác mới, các nhà nghiên cứu cũng tạo ra những thay đổi đáng kể trong hình thái xúc tác. Các nguyên tử trong chất xúc tác phải liên kết với các phân tử nước hoặc oxy để có thể thực hiện phản ứng.

Nhiều mặt phẳng tiếp xúc sẽ dẫn đến các phản ứng hóa học mạnh hơn. Cần có càng nhiều bề mặt kim loại càng tốt. Các nanocage (hạt nano rỗng) được phát triển để có thể được truy cập từ bên ngoài và bên trong. Đặc trưng này tạo ra diện tích bề mặt lớn, cho phép lượng vật liệu phản ứng cùng một lúc nhiều hơn.

Những tính toán trong mô hình máy tính cho thấy, phản ứng hóa học của cả hai giải pháp kết hợp cho kết quả cao hơn 20 lần so với chất xúc tác bạch kim thông thường. Các nhà nghiên cứu cũng thu kết quả này khi thử nghiệm trong pin nhiên liệu.

Các nhà nghiên cứu đã thử nghiệm chất xúc tác cho 50.000 lần phóng và nạp điện trong pin nhiên liệu, nhưng hoạt tính của chất xúc tác giảm không đáng kể, cho thấy mức độ ổn định của hạt nano bạch kim – niken rất cao.

Tiềm lực khai thác chất xúc tác mới này rất lớn, có trong cả pin nhiên liệu và phản ứng ngược lại của máy điện phân. Ví dụ, pin nhiên liệu được sử dụng trong ô tô chạy bằng hydro, các máy phát điện khẩn cấp trong bệnh viện, những máy điện phân nước thành hydro trong các trang trại điện gió và điện mặt trời để sản xuất hydro.

 Hensen chia sẻ: “Tôi hy vọng rằng chúng ta sẽ sớm có thể lắp đặt các máy điện phân ở mọi khu phố. Thiết bị có kích thước bằng tủ lạnh lưu trữ tất cả nguồn năng lượng điện từ các tấm pin mặt trời trên mái nhà trong khu phố dưới dạng khí hydro. Các đường ống khí đốt ngầm dưới lòng đất sẽ được sử dụng để vận chuyển hydro trong tương lai, các lò sưởi ấm trung tâm ở Hà Lan sẽ thay thế bằng pin nhiên liệu, chuyển đổi hydro lưu trữ thành điện năng. Đó là phương thức có thể tận dụng tối đa năng lượng mặt trời”.

Với nhu cầu cần nhanh chóng chuyển đổi nguồn nhiên liệu hóa thạch thành nhiên liệu tái tạo, giá thành hạ của năng lượng tái tạo, những nghiên cứu và sáng chế của các nhà khoa học trên thế giới về việc phát triển nguồn năng lượng ổn định, sạch và bền vững với môi trường là những viên gạch quan trọng đầu tiên cho một nền công nghiệp tái tạo sạch trong tương lai.