Các nhà nghiên cứu tại Đại học Khoa học và Công nghệ Hồng Kông (HKUST) đã thiết kế vật liệu cathode tiên tiến trên cơ sở sắt, cung cấp hiệu suất kỷ lục cho pin nhiên liệu gốm proton, đạt được một bước tiến lớn trong quá trình phát triển và thương mại hóa công nghệ năng lượng tái tạo đầy hứa hẹn này.

Pin nhiên liệu, sử dụng năng lượng hóa học của hydro hoặc các loại nhiên liệu khác tạo ra năng lượng điện sạch và hiệu quả, thân thiện môi trường, đang được phát triển mạnh mẽ trên toàn thế giới trong cuộc chiến chống biến đổi khí hậu và giảm phát thải carbon toàn cầu.

Một công nghệ mới trong lĩnh vực này, pin nhiên liệu gốm proton (PCFC) sử dụng chất điện phân gốm dẫn điện proton, có ưu điểm phát thải chất gây ô nhiễm thấp, hiệu suất cao và linh hoạt, hoạt động tốt với không chỉ hydro mà cả những loại khí khác như amoniac , khí sinh học và khí metan. Pin nhiên liệu thường được sử dụng để phát điện phân tán, bao gồm cả sản xuất điện ngoài lưới.

 Sơ đồ pin nhiên liệu gốm proton (PCFC) sử dụng chất điện phân gốm dẫn điện proton. Ảnh Egypt-business.

Nhưng việc thương mại hóa rộng rãi PCFC gặp trở ngại lớn do thiếu vật liệu cathode hiệu suất cao và chi phí thấp . Hiện nay, vật liệu perovskite trên cơ sở coban là vật liệu cathode được sử dụng rộng rãi nhất vì coban có thể dễ dàng hạ thấp và tăng chỉ số oxi hóa, thúc đẩy phản ứng khử oxy mạnh mẽ, có ý nghĩa quan trọng đối với hiệu suất của cathode pin nhiên liệu.

Những vật liệu chế tạo cathode này có chi phí cao, gây ô nhiễm môi trường trong khai thác mỏ và đòi hỏi quy trình chuẩn bị phức tạp, không tương thích với sản xuất công nghiệp hàng loạt. Những vật liệu này cũng có nhu cầu cao về pin lithium-ion, loại pin thường được sử dụng trong xe điện.

Để có thể thương mại hóa sản phẩm, lý tưởng nhất là coban cần được thay thế bằng những kim loại chuyển tiếp với chi phí thấp nhưng khả năng phản ứng khử oxy tương đương. Sắt nằm gần coban trong bảng tuần hoàn, có nhiều tính chất hóa học tương tự, nhưng rất rẻ hơn nhiều. Nhưng vật liệu gốc sắt thường là chất xúc tác kém, không đạt được yêu cầu về hiệu suất. Do đó, những thành phần của vật liệu phải được tinh chỉnh để vật liệu hoạt động tốt nhất.

 

GS Ciucci giới thiệu tế bào pin nhiên liệu gốm proton làm từ D-BFZ. Ảnh Đại học Khoa học và Công nghệ Hồng Kông

Nghiên cứu theo hướng này, nhóm nhà khoa học do GS Francesco Ciucci thuộc Khoa Cơ khí & Kỹ thuật Hàng không vũ trụ và Khoa Kỹ thuật Hóa học & Sinh học thuộc HKUST dẫn đầu đã kết hợp các mô phỏng nguyên tắc đầu tiên, phân tích quỹ đạo phân tử và các thí nghiệm, thiết kế và phát triển một loại gốm chi phí thấp mới, sử dụng các nguyên tố giá rẻ là bari (Ba), sắt (Fe) và zirconi (Zr), chế tạo được PCFC có hiệu suất cao kỷ lục.

Nhóm nghiên cứu đã thiết kế vật liệu cathode từ các nguyên tắc hóa lý cơ bản và lý thuyết hàm mật độ. Sử dụng phương pháp tối ưu hóa với sự hướng dẫn bằng máy tính Máy học, hỗn hợp Ba_0,875 Fe_0,875 Zr _0,125 O_3-δ (D-BFZ) được xác định là vật liệu chế tạo cathode có tiềm năng nhất.

Những thí nghiệm cho thấy D-BFZ có hoạt động điện hóa đặc biệt cao, phản ứng với oxy đạt được mật độ công suất cực đại cao, thuộc loại tốt nhất trong lĩnh vực này và độ ổn định trong hoạt động rất cao. Ngoài ra, D-BFZ có thể được sản xuất bằng phương pháp sử dụng các kỹ thuật tổng hợp đơn giản, phù hợp với dây chuyền sản xuất hàng loạt. Theo nhóm nghiên cứu, đây là một bước quan trọng hiện thực hóa các PCFC, khả thi trong thương mại hóa sản phẩm.

GS Ciucci cho biết "Công nghệ PCFC có thể biến đổi và có nhiều khả năng phát triển vật liệu cathode hiệu quả cao hơn nũa. Chúng tôi sẽ tiếp tục tiến hành các tính toán trên cơ sở AI, thử nghiệm nguyên tắc đầu tiên để cải thiện hiệu suất của PCFC. Nếu sử dụng theo chiều ngược lại, PCFC sẽ có tác động to lớn đến các lĩnh vực khó khử carbon như luyện kim, sản xuất amoniac và xe vận tải hạng nặng".

Công trình nghiên cứu của nhóm nhà khoa học được xuất bản trên tạp chí Nature Catalysis và trong Tạp chí Nature Reviews Materials.