Các nhà khoa học công bố pin nhiên liệu nhiệt độ thấp đột phá có thể cách mạng hóa năng lượng hydro
Theo Đại học Kyushu, ngày 25 tháng 11 năm 2025
Hình ảnh kỹ thuật số về sự hình thành các đường dẫn truyền proton trong BaSnO₃ và BaTiO₃ nhờ nồng độ thay thế scandium cao. Nguồn: Đại học Kyushu/Yoshihiro Yamazaki
Các nhà nghiên cứu tại Đại học Kyushu đã tạo ra một pin nhiên liệu oxit rắn (SOFC) có độ dẫn proton đặc biệt cao ở 300°C.
Khi nhu cầu năng lượng trên toàn thế giới tiếp tục tăng, các nhà khoa học, lãnh đạo ngành và các nhà hoạch định chính sách đang hợp tác để tìm ra những phương pháp đáng tin cậy nhằm đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng. Nỗ lực này ngày càng trở nên cấp thiết khi các quốc gia đang nỗ lực ứng phó với biến đổi khí hậu và giảm sự phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch.
Một trong những công nghệ hứa hẹn nhất đang được khám phá là pin nhiên liệu oxit rắn, hay SOFC. Không giống như pin, vốn lưu trữ năng lượng rồi giải phóng, pin nhiên liệu tạo ra điện bằng cách liên tục chuyển đổi nhiên liệu hóa học thành điện năng miễn là có nguồn cung cấp nhiên liệu. Nhiều người đã quen thuộc với pin nhiên liệu hydro, loại pin sản xuất điện và nước từ khí hydro.
Pin SOFC nổi bật với hiệu suất cao và tuổi thọ hoạt động dài. Tuy nhiên, thông thường, chúng cần nhiệt độ hoạt động cực cao, khoảng 700-800°C. Các hệ thống được chế tạo để chịu được nhiệt độ này phải dựa vào các vật liệu chuyên dụng, đắt tiền, điều này hạn chế phạm vi ứng dụng của công nghệ này.
Trong một nghiên cứu mới được công bố trên tạp chí Nature Materials, các nhà nghiên cứu tại Đại học Kyushu thông báo rằng họ đã tạo ra một pin SOFC có khả năng hoạt động hiệu quả ở nhiệt độ chỉ 300°C. Theo nhóm nghiên cứu, thành tựu này có thể cho phép thiết kế pin SOFC ở nhiệt độ thấp, giá cả phải chăng và đẩy nhanh đáng kể quá trình chuyển đổi công nghệ này từ phòng thí nghiệm sang các ứng dụng thực tế.
Hiểu về Vai trò của Chất điện phân
Trái tim của pin SOFC là chất điện phân, một lớp gốm mang các hạt tích điện giữa hai điện cực. Trong pin nhiên liệu hydro, chất điện phân vận chuyển các ion hydro (hay còn gọi là proton) để tạo ra năng lượng. Tuy nhiên, pin nhiên liệu cần hoạt động ở nhiệt độ cực cao để hoạt động hiệu quả.
“Việc hạ nhiệt độ hoạt động xuống 300℃ sẽ cắt giảm chi phí vật liệu và mở ra cánh cửa cho các hệ thống ở cấp độ người tiêu dùng”, Giáo sư Yoshihiro Yamazaki từ Nền tảng Nghiên cứu Năng lượng Liên ngành/Xuyên ngành của Đại học Kyushu, người đứng đầu nghiên cứu, giải thích. “Tuy nhiên, chưa có loại gốm nào được biết đến có thể mang đủ proton nhanh như vậy ở điều kiện ‘ấm’ như vậy. Vì vậy, chúng tôi đặt mục tiêu phá vỡ nút thắt đó.”
Chất điện phân được tạo thành từ các tổ hợp nguyên tử khác nhau được sắp xếp trong cấu trúc mạng tinh thể. Chính giữa các nguyên tử này là nơi một proton di chuyển. Các nhà nghiên cứu đã khám phá các tổ hợp vật liệu và chất pha tạp hóa học khác nhau - những chất có thể làm thay đổi tính chất vật lý của vật liệu - để cải thiện tốc độ proton di chuyển qua chất điện phân.
“Nhưng điều này cũng đi kèm với một thách thức”, Yamazaki nói tiếp. “Việc bổ sung chất pha tạp hóa học có thể làm tăng số lượng proton di động đi qua chất điện phân, nhưng nó thường làm tắc nghẽn mạng tinh thể, làm chậm tốc độ proton. Chúng tôi đã tìm kiếm các tinh thể oxit có thể chứa nhiều proton và cho phép chúng di chuyển tự do - một sự cân bằng mà nghiên cứu mới của chúng tôi cuối cùng đã đạt được.”
Đột phá: Oxit pha tạp Scandi
Nhóm nghiên cứu phát hiện ra rằng hai hợp chất, bari stannat (BaSnO3) và bari titanat (BaTiO3), khi được pha tạp với nồng độ scandi (Sc) cao, có thể đạt được độ dẫn proton chuẩn của SOFC trên 0,01 S/cm ở 300℃, một mức độ dẫn điện tương đương với các chất điện phân SOFC phổ biến hiện nay ở 600-700℃.
“Phân tích cấu trúc và mô phỏng động lực học phân tử cho thấy các nguyên tử Sc liên kết các nguyên tử oxy xung quanh để tạo thành một ‘đường cao tốc ScO₆’, dọc theo đó các proton di chuyển với rào cản di chuyển thấp bất thường. Đường dẫn này vừa rộng vừa dao động nhẹ, giúp ngăn chặn hiện tượng giữ proton thường xảy ra ở các oxit pha tạp nhiều”, Yamazaki giải thích. “Dữ liệu động lực học mạng lưới cũng cho thấy BaSnO₃ và BaTiO₃ về bản chất ‘mềm’ hơn so với các vật liệu SOFC thông thường, cho phép chúng hấp thụ nhiều Sc hơn so với giả định trước đây.”
Những phát hiện này đảo ngược sự đánh đổi giữa mức độ tạp chất và vận chuyển ion, mở ra một hướng đi rõ ràng cho các SOFC nhiệt độ trung bình, chi phí thấp.
“Ngoài pin nhiên liệu, nguyên lý tương tự có thể được áp dụng cho các công nghệ khác, chẳng hạn như điện phân nhiệt độ thấp, bơm hydro và lò phản ứng chuyển đổi CO₂ thành các hóa chất có giá trị, từ đó nhân lên tác động của quá trình khử cacbon. Nghiên cứu của chúng tôi đã biến một nghịch lý khoa học lâu đời thành một giải pháp thiết thực, đưa năng lượng hydro giá cả phải chăng đến gần hơn với cuộc sống hàng ngày”, Yamazaki kết luận.
Tài liệu tham khảo: “Giảm thiểu bẫy proton trong oxit perovskite khối thông qua mạng lưới bát diện ScO6” của Kota Tsujikawa, Junji Hyodo, Susumu Fujii, Kazuki Takahashi, Yuto Tomita, Nai Shi, Yasukazu Murakami, Shusuke Kasamatsu và Yoshihiro Yamazaki, ngày 8 tháng 8 năm 2025, Nature Materials.
DOI: 10.1038/s41563-025-02311-w
