PGS kỹ thuật hóa học Zhenxing Feng thuộc Đại học Kỹ thuật OSU đang dẫn đầu trong nghiên cứu phát triển chất xúc tác, có thể giải quyết 3 vấn đề chính với Pin nhiên liệu etanol trực tiếp (DEFC) là hiệu suất thấp, chi phí vật liệu xúc tác cao và độc tính các phản ứng hóa học bên trong tế bào pin nhiên liệu.

PGS Feng và đồng nghiệp tại Bang Oregon, Đại học Trung tâm Florida và Đại học Pittsburgh phát hiện, nếu đưa các nguyên tử flo vào chất xúc tác palladium-nitơ-carbon có những tác động tích cực, giữ cho các tế bào đậm đặc năng lượng ổn định trong gần 6.000 giờ. Chất xúc tác là một chất làm tăng tốc độ của một phản ứng mà bản thân nó không trải qua bất kỳ sự thay đổi hóa học vĩnh viễn nào. Phát hiện mới được công bố trên Tạp chí Nature Energy .

Các phương tiện vận tải chạy bằng động cơ xăng hoặc diesel trên cơ sở quá trình đốt cháy nhiên liệu hóa thạch, phát thải khí nhà kính carbon dioxide. Những phương tiện này là một trong các nguồn phát thải chính CO 2 khí quyển, gây ra biến đổi khí hậu.

PGS Feng cho biết, những động cơ đốt trong tạo ra lượng khí carbon dioxide rất lớn. Để đạt được mục tiêu không phát thải carbon, các trang thiết bị cần phải chuyển đổi sang sử dụng nhiên liệu từ những nguồn tái tạo và bền vững. Pin nhiên liệu etanol trực tiếp có khả năng thay thế những hệ thống cung cấp năng lượng bằng xăng và diesel.

PGS Feng và các cộng tác viên hiện đang phát triển nguyên mẫu thiết bị DEFC cho các thiết bị cung cấp điện năng và phương tiện di động. Nếu kết quả này thành công, nhóm khoa học hy vọng sẽ có nguyên mẫu thiết bị DEFC có thể thương mại hóa và với sự phối hợp của các ngành công nghiệp, phương tiện sử dụng DEFC có thể xuất hiện trên thị trường trong 10 năm tới.

Ethanol, còn được gọi là rượu etylic, phân tử hóa học chưa cacbon, hydro và oxy với công thức hóa học C2 H6O, thành phần hoạt tính trong đồ uống có cồn. Ethanol được sản xuất tự nhiên bằng quá trình lên men đường bởi nấm men, có thể sản xuất từ nhiều nguồn như ngô, lúa mì, lúa miến ngũ cốc, lúa mạch, đường mía và lúa miến ngọt. Etanol tại Mỹ được sản xuất ở miền Trung Tây, chủ yếu từ ngô.

PGS Feng giải thích, pin nhiên liệu trên cơ sở năng lượng hóa học của hydro hoặc các nhiên liệu xanh khác có thể sản xuất điện năng sạch, hiệu quả cao. Pin có thể sử dụng nhiều loại nhiên liệu và nguyên liệu thô, đáp ứng yêu cầu các hệ thống cung cấp năng lượng lớn như nhà máy điện và nhỏ như máy tính xách tay.

Trong công nghệ DEFC, ethanol có thể được tạo ra từ nhiều nguồn, đặc biệt là sinh khối như mía đường, lúa mì và ngô. Lợi ích trọng tâm của sử dụng các nguồn sinh học sản xuất ethanol là phát triển cây trồng, hấp thụ carbon dioxide trong khí quyển."

Là chất lỏng dễ dàng lưu trữ và vận chuyển, etanol có thể cung cấp nhiều năng lượng hơn trên mỗi kg so với những nhiên liệu khác như metanol hoặc hydro tinh khiết. Cơ sở hạ tầng đã có sẵn để sản xuất và phân phối ethanol, cho phép đưa DEFC nhanh chóng thay thế động cơ đốt trong.

Chiếc xe đầu tiên chạy bằng pin nhiên liệu ethanol được phát triển năm 2007. Nhưng việc phát triển thêm các phương tiện DEFC chậm lại do DEFC có hiệu quả kinh tế không cao do chi phí chất xúc tác cao. Hơn nữa có nguy cơ ngộ độc chất xúc tác do carbon monoxide sinh ra từ các phản ứng trong pin nhiên liệu.

 Nguyên lý hoạt động Pin nhiên liệu Ethanol trực tiếp.

Để giải quyết những thách thức này, nhóm nghiên cứu gồm nghiên cứu sinh TS Maoyu Wang thuộc OSU, các nhà khoa học Đại học Khoa học và Công nghệ Miền Nam ở Trung Quốc và Phòng thí nghiệm Quốc gia Argonne phối hợp phát triển các chất xúc tác hợp kim palladium hiệu suất cao, sử dụng ít kim loại quý hơn so với những chất xúc tác sử dụng palladium hiện nay.

Palladium, bạch kim và ruthenium là những nguyên tố có đặc tính xúc tác cao nhưng đắt tiền và khó kiếm.

Nhóm nghiên cứu xác định được, đưa nguyên tử flo vào chất xúc tác palladium-nitrogen-carbon làm thay đổi môi trường xung quanh palladium, tăng cường hoạt tính và độ ổn định trong hai phản ứng quan trọng trong tế bào nhiên liệu: phản ứng oxy hóa etanol và phản ứng khử oxy. Sử dụng Phương pháp quang phổ tia X của synctron tiên tiến cho thấy, đưa nguyên tử flo vào chất xúc tác tạo ra bề mặt palladium giàu nitrogen thuận lợi cho xúc tác. Độ bền được tăng cường nhờ ức chế sự di chuyển của các nguyên tử palađi và giảm ăn mòn cacbon.