Các hạt hợp kim bạch kim-coban ở quy mô nano để cắt giảm chi phí của pin nhiên liệu thế hệ tiếp theo
Các hạt nano Pt3Co có trật tự cao được điều chế bằng chiến lược khử hai bước. Điện thế nửa sóng của Pt3Co/C đạt 0,87 V, cho thấy hiệu suất ORR xuất sắc. Ảnh: Zhonghua Xiang, Đại học Công nghệ Hóa học Bắc Kinh
Bạch kim kim loại quý là chất xúc tác chính cho các phản ứng hóa học ở trung tâm của thế hệ tiếp theo của pin nhiên liệu hydro nhỏ gọn hơn, hiệu suất cao. Tuy nhiên, chi phí cao của bạch kim đang ngăn cản việc áp dụng rộng rãi công nghệ này.
Tuy nhiên, các nhà nghiên cứu đã phát minh ra một hợp kim bạch kim và coban ở kích thước nano để sử dụng làm chất xúc tác, giúp giảm đáng kể lượng bạch kim cần thiết để đạt được hiệu suất tương tự—hoặc thậm chí tốt hơn—.
Mô tả về chất xúc tác điện platin-coban mới lạ này và kỹ thuật được sử dụng để sản xuất nó đã được đăng trên tạp chí Particuology vào ngày 15 tháng 12.
Pin nhiên liệu hydro sẽ cần thiết trong quá trình chuyển đổi sạch đối với những bộ phận của nền kinh tế, đặc biệt là phương tiện giao thông hạng nặng, vốn khó điện khí hóa bằng công nghệ pin. Thật không may, pin nhiên liệu được sử dụng phổ biến nhất, pin nhiên liệu kiềm, vẫn còn khá cồng kềnh, hạn chế ứng dụng của nó trong các lĩnh vực như vận chuyển và hàng không, nơi không gian có giá trị cao.
Thế hệ pin nhiên liệu tiếp theo, pin nhiên liệu màng trao đổi proton (PEMFC—đôi khi được gọi là pin nhiên liệu màng điện phân polyme), nhỏ gọn hơn nhiều.
Đáng buồn thay, chất xúc tác chính—các chất giúp tăng tốc phản ứng hóa học—được sử dụng trong phản ứng quan trọng liên quan đến PEMFCS (phản ứng khử oxy, hay ORR) lại là bạch kim kim loại hiếm và đắt tiền. Chi phí bạch kim cao đã là một trong những rào cản lớn nhất đối với việc áp dụng PEMFC rộng rãi hơn. Theo dữ liệu từ Bộ Năng lượng Hoa Kỳ, các chất xúc tác kim loại nhóm bạch kim trong pin nhiên liệu hiện chiếm hơn 40% chi phí của chúng. Thật vậy, một nửa sản lượng bạch kim trên thế giới được sử dụng bởi ngành công nghiệp ô tô.
"Điều này có nghĩa là ngay cả khi chi phí cao của bạch kim đang hạn chế việc sử dụng pin nhiên liệu trong xe cộ, nếu việc áp dụng rộng rãi hơn xảy ra, điều này sẽ chỉ làm trầm trọng thêm vấn đề vì sẽ có nhu cầu lớn hơn và do đó giá cao hơn đối với kim loại quý hiếm này. " Zhonghua Xiang, tác giả của bài báo và là nhà điện hóa của Đại học Công nghệ Hóa học Bắc Kinh cho biết.
Do đó, bất kỳ con đường nào dẫn đến việc áp dụng rộng rãi hơn công nghệ pin nhiên liệu đều nhất thiết phải giảm một số lượng bạch kim cần thiết, bằng cách hoán đổi nó với một số vật liệu xúc tác khác hoặc bằng cách giảm lượng bạch kim cần thiết mà không ảnh hưởng đến hiệu suất.
Rất nhiều nghiên cứu đã tập trung vào cách tiếp cận thứ hai. Các nhà nghiên cứu đã đặc biệt tập trung vào việc tạo hợp kim bạch kim với coban, trên thực tế là pha loãng lượng bạch kim cần thiết để đạt được kết quả tương tự. Lý do cho điều này là các hợp kim bạch kim-coban khác nhau có "diện tích bề mặt hoạt động" cao hơn—khoảng trống trên các phân tử của chất xúc tác nơi các phản ứng hóa học có liên quan có thể diễn ra.
Tuy nhiên, việc tinh chỉnh mức độ hợp kim để đạt được hiệu suất ORR tối ưu vẫn là một thách thức lớn.
Vì vậy, Giáo sư Xiang đã tổng hợp một tiền chất bạch kim-coban-cacbon (hợp chất hoạt động để tạo ra hợp chất thứ hai, trong trường hợp này là hợp kim bạch kim-coban) bằng cách sử dụng dimethylamine borane (DMAB) làm chất khử (một chất nhường electron cho chất khác một trong một phản ứng hóa học). Tiền chất này được nung nóng đến nhiệt độ cao trong môi trường khí hydro và argon để tạo ra hợp kim bạch kim-coban liên quan đến ba nguyên tử bạch kim đối với mỗi nguyên tử coban ở dạng hạt có kích thước nano.
Cấu trúc của các electron trong hợp kim bạch kim-coban đặc biệt này cho phép lượng hoạt động cao trên bề mặt màng của các điện cực trong pin nhiên liệu. Kết quả là, hiệu suất của pin nhiên liệu được nâng cao và đạt được độ ổn định tuyệt vời cho pin nhiên liệu. Lợi ích thứ hai này đã được chứng minh bằng sự suy giảm hiệu suất chỉ nhẹ sau 10.000 chu kỳ của pin nhiên liệu. Thử nghiệm thêm trong các pin nhiên liệu đơn lẻ cho thấy cách tiếp cận của họ đã vượt quá đáng kể các yêu cầu của tiêu chuẩn Bộ Năng lượng Hoa Kỳ.
Đã chứng minh được việc giảm lượng bạch kim cần thiết để đạt được hiệu suất PEMFC vượt trội, Giáo sư Xiang muốn xem liệu ông có thể thay thế hoàn toàn chất xúc tác dựa trên bạch kim hay không, bằng cách sử dụng lại kim loại không quý làm chất xúc tác, trong khi vẫn duy trì hoặc cải thiện hiệu suất và sự ổn định lâu dài.
