Các nhà khoa học phát triển chất xúc tác pin nhiên liệu cho xe hạng nặng
Nguồn tin Khoa học của Bộ Năng lượng Hoa Kỳ (DOE) là một sáng kiến của Newswise nhằm quảng bá tin tức nghiên cứu từ Văn phòng Khoa học của DOE đến công chúng và giới truyền thông.
Newswise — UPTON, N.Y. — Các nhà khoa học tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Brookhaven thuộc Bộ Năng lượng Hoa Kỳ (DOE) đã khám phá ra một công thức chất xúc tác mới có thể cải thiện đáng kể hiệu suất và độ bền của xe chạy bằng pin nhiên liệu — đặc biệt là xe tải và các loại xe hạng nặng khác đòi hỏi nhiều năng lượng hơn. Nghiên cứu, được công bố trên tạp chí Nature Communications, đánh dấu một bước tiến lớn hướng tới việc biến công nghệ pin nhiên liệu hydro thành hiện thực cho các đội xe thương mại, nơi nhu cầu về các giải pháp công suất cao, tầm xa là rất lớn.
Thế hệ chất xúc tác mới
Pin nhiên liệu là thiết bị có thể tạo ra điện từ nhiều loại nhiên liệu khác nhau. Khi pin nhiên liệu sử dụng hydro và oxy, sản phẩm phụ duy nhất là nước. Mặc dù pin nhiên liệu hiện nay hoạt động tốt trên xe ô tô chở khách, nhưng ngày càng có nhiều sự quan tâm đến việc sử dụng pin nhiên liệu để cung cấp năng lượng hiệu quả cho các phương tiện hạng nặng như xe buýt, xe tải chở hàng và xe vận tải đường dài. Một trong những thách thức lớn nhất là thiết kế các chất xúc tác đủ bền và hiệu quả để đáp ứng nhu cầu bổ sung của các ứng dụng hạng nặng như vậy.
Kotaro Sasaki, nhà hóa học tại Brookhaven, người dẫn đầu nghiên cứu cùng với Xueru Zhao, cũng thuộc Bộ phận Hóa học, cho biết:
Chất xúc tác là thành phần tạo nên phản ứng hóa học tại các điện cực bên trong pin nhiên liệu.
“Những vật liệu này, thường được làm bằng kim loại, kết nối các hóa chất phản ứng lại với nhau và giảm năng lượng cần thiết để chạy phản ứng. Tuy nhiên, chất xúc tác phải có khả năng thực hiện chức năng này liên tục trong các điều kiện khắc nghiệt, chẳng hạn như nhiệt độ cao hoặc môi trường axit khắc nghiệt. Nghiên cứu của chúng tôi tập trung vào việc thiết kế một chất xúc tác có thể duy trì hiệu suất cao trong những điều kiện khắc nghiệt này.”
Nhóm nghiên cứu do Brookhaven dẫn đầu đã thiết kế một chất xúc tác pha tạp nitơ mới được làm từ hỗn hợp năm kim loại được điều chỉnh cẩn thận: bạch kim, coban, niken, sắt và đồng. Những vật liệu "liên kim loại entropy cao" như vậy — được đặt tên như vậy vì chúng chứa nhiều nguyên tố trong một cấu trúc nguyên tử có trật tự — đặc biệt ổn định, khiến chúng trở thành ứng cử viên đầy hứa hẹn để sử dụng trong các môi trường khắc nghiệt.
Bằng cách phóng to vật liệu ở cấp độ nguyên tử bằng tia X và kính hiển vi tại Nguồn sáng Synchrotron Quốc gia II (NSLS-II) và Khoa Vật lý Vật chất Ngưng tụ và Khoa học Vật liệu của Brookhaven, các nhà nghiên cứu đã phát hiện ra rằng chất xúc tác mới có những biến dạng nhỏ trong cấu trúc nguyên tử, một phần do cái mà họ gọi là "biến dạng dưới angstrom". Những thay đổi tinh tế này ở vị trí nguyên tử — nhỏ hơn nhiều so với chiều rộng của một nguyên tử đơn lẻ — kết hợp với liên kết mạnh giữa các kim loại và nguyên tử nitơ, khiến chất xúc tác vừa có hoạt tính cao vừa có độ bền vượt trội.
Hiệu suất lập kỷ lục
Trong các thử nghiệm nghiêm ngặt mô phỏng hoạt động của xe tải hạng nặng, chất xúc tác mới duy trì hiệu suất tuyệt vời trong hơn 90.000 chu kỳ hoạt động — tương đương với hoạt động liên tục trong 25.000 giờ — tạo ra mật độ dòng điện vượt xa mục tiêu của DOE. Thành tựu này là một phần trong sáng kiến của Bộ Năng lượng Hoa Kỳ (DOE) nhằm thúc đẩy công nghệ pin nhiên liệu, cho phép thương mại hóa chúng để sử dụng trong xe tải hạng nặng và các ứng dụng khác.
Zhao cho biết:
Những kết quả này cho thấy một con đường thiết thực để xây dựng các hệ thống pin nhiên liệu có thể cung cấp năng lượng cho xe tải và xe buýt trong tương lai.
"Chất xúc tác của chúng tôi không chỉ đáp ứng nhu cầu thị trường tức thời mà còn đặt nền móng cho việc áp dụng rộng rãi trong vận tải hạng nặng."
Hợp tác toàn phòng thí nghiệm
Công trình này được thực hiện nhờ sự hợp tác chặt chẽ giữa nhiều nhóm nghiên cứu của Phòng thí nghiệm Brookhaven. Các nhà khoa học từ nhóm Điện hóa học bề mặt và Điện xúc tác thuộc Phân ban Hóa học đã đóng góp chuyên môn về tổng hợp và điện hóa học, trong khi các nhóm thuộc Khoa Vật lý Vật chất Ngưng tụ và Khoa học Vật liệu và Trung tâm Vật liệu Nano Chức năng (CFN) đã tiến hành phân tích đặc tính vật liệu tiên tiến. Các nhà nghiên cứu tại NSLS-II, một trong những nguồn sáng tiên tiến nhất thế giới, đã cung cấp những hiểu biết quan trọng về cấu trúc của chất xúc tác mới bằng cách sử dụng các chùm tia Hấp thụ và Tán xạ tia X nhanh (QAS) và Phổ tia X mềm tại chỗ và Vận hành (IOS).
Zhao cho biết:
Đây là một ví dụ rõ ràng về cách nghiên cứu cơ bản tại một phòng thí nghiệm quốc gia có thể tạo ra tác động thực tế.
“Bằng cách khám phá các cơ chế ở quy mô nguyên tử làm cho chất xúc tác này hiệu quả đến vậy, chúng tôi đang mở ra cánh cửa cho các công nghệ thực tế đáp ứng nhu cầu của ngành công nghiệp.”
Công trình này được tài trợ bởi Bộ Năng lượng Hoa Kỳ. CFN và NSLS-II là các cơ sở sử dụng của Văn phòng Khoa học thuộc Bộ Năng lượng Hoa Kỳ tại Phòng thí nghiệm Brookhaven.
Phòng thí nghiệm Quốc gia Brookhaven được hỗ trợ bởi Văn phòng Khoa học thuộc Bộ Năng lượng Hoa Kỳ. Văn phòng Khoa học là đơn vị hỗ trợ lớn nhất cho nghiên cứu cơ bản trong khoa học vật lý tại Hoa Kỳ và đang nỗ lực giải quyết một số vấn đề những thách thức cấp bách nhất của thời đại chúng ta. Để biết thêm thông tin, hãy truy cập science.energy.gov.
