Các nhà nghiên cứu chế tạo thành công pin nhiên liệu hydro nhiệt độ thấp nhờ “siêu xa lộ” Scandium
Hình 1. “Xa lộ” proton được tạo ra nhờ Scandium. Ảnh kỹ thuật số về sự hình thành các đường dẫn truyền proton trong BaSnO₃ và BaTiO₃ nhờ nồng độ thay thế Scandium cao. (Đại học Kyushu / Yoshihiro Yamazaki)
Các nhà nghiên cứu Đại học Kyushu phát triển pin nhiên liệu oxit rắn (SOFC) có độ dẫn proton cao ở 300°C
Fukuoka, Nhật Bản — Khi nhu cầu năng lượng toàn cầu gia tăng, các nhà nghiên cứu, ngành công nghiệp, chính phủ và các bên liên quan đang hợp tác để tìm ra những cách thức mới nhằm đáp ứng nhu cầu đó. Điều này đặc biệt quan trọng trong bối cảnh chúng ta đối mặt với khủng hoảng khí hậu và chuyển đổi khỏi nhiên liệu hóa thạch.
Một dạng phát điện đầy tiềm năng là pin nhiên liệu oxit rắn (SOFC). Không giống pin lưu trữ, vốn giải phóng năng lượng hóa học đã tích trữ dưới dạng điện, pin nhiên liệu chuyển đổi trực tiếp nhiên liệu hóa học thành điện năng và tiếp tục hoạt động miễn là có cung cấp nhiên liệu. Một dạng phổ biến mà nhiều người biết là pin nhiên liệu hydro, chuyển đổi khí hydro thành năng lượng và nước.
Dù SOFC có ưu điểm về hiệu suất cao và tuổi thọ dài, nhược điểm lớn là chúng cần hoạt động ở nhiệt độ cao khoảng 700-800℃, kéo theo chi phí cao do phải dùng vật liệu chịu nhiệt.
Nay, được công bố trên Nature Materials, các nhà nghiên cứu Đại học Kyushu cho biết họ đã phát triển thành công một loại SOFC mới vận hành hiệu quả ở 300℃. Nhóm kỳ vọng phát hiện này sẽ mở đường cho SOFC giá rẻ, nhiệt độ thấp và đẩy nhanh ứng dụng thực tế.
Trái tim của SOFC là lớp điện phân – một lớp gốm dẫn các hạt mang điện giữa hai điện cực. Trong pin nhiên liệu hydro, điện phân vận chuyển ion hydro (hay proton) để tạo ra năng lượng. Tuy nhiên, để hoạt động hiệu quả, pin cần nhiệt độ cực cao.
“Giảm nhiệt độ vận hành xuống 300℃ sẽ cắt giảm mạnh chi phí vật liệu và mở ra cơ hội cho các hệ thống dùng trong gia đình,” Giáo sư Yoshihiro Yamazaki từ Trung tâm Nghiên cứu Năng lượng Liên/Đa ngành của Đại học Kyushu cho biết. “Tuy nhiên, chưa có loại gốm nào có thể dẫn đủ proton nhanh ở điều kiện ‘ấm’ như vậy, nên chúng tôi đã tìm cách phá vỡ nút thắt này.”
Điện phân được cấu thành từ các nguyên tử sắp xếp trong cấu trúc mạng tinh thể. Proton di chuyển giữa các nguyên tử này. Các nhà khoa học đã thử nhiều tổ hợp vật liệu và chất pha tạp hóa học (dopant) để tăng tốc độ proton di chuyển.
“Nhưng đây cũng là thách thức,” Yamazaki nói. “Pha tạp hóa học có thể tăng số lượng proton di động, nhưng thường làm tắc nghẽn mạng tinh thể, khiến proton chậm lại. Chúng tôi tìm loại oxit có thể chứa nhiều proton và cho phép chúng di chuyển tự do — và nghiên cứu mới đã đạt được cân bằng này.”
Nhóm phát hiện hai hợp chất barium stannate (BaSnO₃) và barium titanate (BaTiO₃) khi pha tạp nồng độ cao Scandium (Sc) có thể đạt độ dẫn proton 0,01 S/cm ở 300℃ — tương đương các 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 với oxy xung quanh để tạo thành ‘xa lộ ScO₆’, nơi proton di chuyển với rào cản dịch chuyển rất thấp. Con đường này vừa rộng vừa dao động mềm mại, giúp tránh hiện tượng bẫy proton thường gặp ở oxit pha tạp cao,” Yamazaki giải thích. “Dữ liệu động lực học mạng tinh thể cũng cho thấy BaSnO₃ và BaTiO₃ ‘mềm’ hơn vật liệu SOFC thông thường, cho phép hấp thụ nhiều Sc hơn dự đoán.”
Phát hiện này đảo ngược quan niệm đánh đổi giữa mức pha tạp và khả năng dẫn ion, mở ra hướng đi rõ ràng cho SOFC giá rẻ, nhiệt độ trung bình.
“Không chỉ dùng cho pin nhiên liệu, nguyên lý này còn áp dụng cho các công nghệ khác như điện phân nhiệt độ thấp, bơm hydro, và lò phản ứng chuyển CO₂ thành hóa chất có giá trị, nhân rộng tác động giảm phát thải. Công trình của chúng tôi biến một nghịch lý khoa học lâu năm thành giải pháp thực tiễn, đưa điện năng từ hydro giá rẻ đến gần đời sống hơn,” Yamazaki kết luận.
