Pin nhiên liệu hydro chuyển hydro thành điện, chỉ có hơi nước là sản phẩm phụ, được coi là giải pháp thay thế xanh tiềm năng cho nguồn năng lượng dành cho các phương tiện giao thông.

Nhưng giá thành cao của pin nhiên liệu hydro là một trong những trở ngại chính cản trở áp dụng rộng rãi trong thực tế. Những tế bào nhiên liệu phải sử dụng chất xúc tác làm từ bạch kim, rất đắt tiền và khan hiếm để kích hoạt và thúc đẩy phản ứng tạo ra năng lượng điện.

Một nhóm nghiên cứu Châu Âu do các nhà nghiên cứu thuộc Đại học Hoàng gia London (Imperial College London) chế tạo thành công chất xúc tác mới, chỉ sử dụng sắt, carbon và nitơ, những vật liệu rẻ sẵn có để vận hành pin nhiên liệu với công suất cao. Kết quả công trình nghiên cứu được công bố trên tạp chí Nature Catallysis ngày 25/4.

Pin nhiên liệu mới đang được thử nghiệm trong phòng thí nghiệm. Ảnh: Đại học Hoàng gia London.

Trưởng nhóm nghiên cứu, GS Anthony Kucernak thuộc Khoa Hóa tại Đại học Hoàng gia London cho biết, hiện nay, 60% chi phí cho một pin nhiên liệu là chất xúc tác có sử dụng bạch kim. Để pin nhiên liệu trở thành nền tảng cho một phương tiện, có thể thay thế các phương tiện cơ giới chạy bằng nhiên liệu hóa thạch, cần phải giảm chi phí sử dụng xuống ngang với chi phí xăng dầu.

 Thiết kế chất xúc tác rẻ hơn sẽ cho phép các phương tiện sử dụng pin nhiên liệu có chi phí tương đương sử dụng nhiên liệu hóa thách, thúc đẩy phát triển các phương tiện vận tải và máy móc công nghiệp, sử dụng hydro làm nhiên liệu, giúp giảm phát thải khí nhà kính.

Bản chất phát minh của nhóm là chế tạo một chất xúc tác trong đó sắt được phân tán dưới dạng các nguyên tử đơn lẻ trong một ma trận cacbon dẫn điện. Sắt đơn nguyên tử có các tính chất hóa học khác với các cụm sắt, khi tất cả các nguyên tử tập hợp với nhau. Phướng pháp này khiến sắt dễ dàng tham gia phản ứng hơn.

Những tính chất hóa học mới này cho phép nguyên tử sắt thúc đẩy các phản ứng cần thiết trong pin nhiên liệu, hoạt động như một chất thay thế hiệu quả cho bạch kim. Trong các thử nghiệm trong phòng thí nghiệm, nhóm nghiên cứu đã chứng minh được, chất xúc tác sắt đơn nguyên tử có hiệu suất gần bằng chất xúc tác gốc bạch kim trong hệ thống pin nhiên liệu.

Ngoài việc sản xuất chất xúc tác rẻ hơn cho pin nhiên liệu, phương pháp do nhóm phát triển có thể được điều chỉnh để chế tạo các chất xúc tác giá thành thấp trong các phản ứng hóa học khác như phản ứng hóa học sử dụng oxy khí quyển làm chất phản ứng thay cho chất oxy hóa hóa học đắt tiền hoặc trong xử lý nước thải, sử dụng không khí để loại bỏ những chất gây ô nhiễm có hại.

Theo tác giả nghiên cứu, TS Asad Mehmood thuộc Khoa Hóa Đại học Hoàng gia Lonbdon, nhóm nghiên cứu đã phát triển một phương pháp tiếp cận mới, tạo ra các chất xúc tác “nguyên tử đơn” cho hàng loạt những phản ứng hóa học và điện hóa khác. Kết quả này có được nhờ sử dụng phương pháp tổng hợp độc đáo, được gọi là phản ứng siêu phân tử, không cho phép hình thành các cụm sắt trong quá trình tổng hợp. Quy trình này sẽ giúp các nghiên cứu khác, điều chế những chất xúc tác tương tự với chi phí thấp.

Nhóm nghiên cứu đã hợp tác với nhà sản xuất chất xúc tác pin nhiên liệu Johnson Matthey của Anh để thử nghiệm chất xúc tác trong các hệ thống pin nhiên liệu và hy vọng sẽ mở rộng thành quy trình sản xuất chất xúc tác mới mới, có thể được sử dụng trong pin nhiên liệu thương mại đồng thời tiếp tục nghiên cứu để tăng cường độ ổn định của chất xúc tác tương đương bạch kim về độ bền cũng như hiệu suất.