Các nhà nghiên cứu thiết kế cực âm dựa trên sắt để đạt được hiệu suất kỷ lục cho pin nhiên liệu gốm proton

Các nhà nghiên cứu thiết kế cực âm dựa trên sắt để đạt được hiệu suất kỷ lục cho pin nhiên liệu gốm proton

    Các nhà nghiên cứu thiết kế cực âm dựa trên sắt để đạt được hiệu suất kỷ lục cho pin nhiên liệu gốm proton
    bởi Đại học Khoa học và Công nghệ Hồng Kông

    HKUST researchers design iron-based cathode to achieve record performance for protonic ceramic fuel cells
    Giáo sư Ciucci cho thấy pin nhiên liệu gốm proton làm từ D-BFZ. Ảnh: Đại học Khoa học và Công nghệ Hồng Kông
    Các nhà nghiên cứu tại Đại học Khoa học và Công nghệ Hồng Kông (HKUST) đã thiết kế một vật liệu catốt dựa trên sắt cải tiến để đạt được hiệu suất kỷ lục đối với pin nhiên liệu gốm proton, đánh dấu một bước tiến đáng kể 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 nhiên liệu khác để tạo ra điện hiệu quả và sạch, là nguồn năng lượng thân thiện với môi trường đang được phát triển mạnh mẽ trên toàn thế giới trong nỗ lực chống biến đổi khí hậu và thiếu năng lượng.

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

    Tuy nhiên, việc thương mại hóa rộng rãi PCFC đã bị cản trở do thiếu vật liệu catốt hiệu suất cao và chi phí thấp. Hiện tại, perovskite dựa trên coban là vật liệu catốt được sử dụng rộng rãi nhất vì coban có thể dễ dàng hạ thấp và tăng số oxi hóa của nó, dẫn đến hoạt động phản ứng khử oxy vượt trội, điều quan trọng đối với hiệu suất của catốt.

    Tuy nhiên, những vật liệu này có chi phí cao, gây ô nhiễm trong quá trình khai thác và yêu cầu các quy trình chuẩn bị phức tạp không phù hợp với sản xuất hàng loạt. Họ cũng có nhu cầu cao về pin lithium-ion, loại pin thường được sử dụng trong xe điện.

    Lý tưởng nhất là coban cần được thay thế bằng các kim loại chuyển tiếp với chi phí thấp hơn nhưng khả năng phản ứng tương đương. Sắt nằm gần coban trong bảng tuần hoàn, có nhiều tính chất hóa học tương tự, nhưng rẻ hơn nhiều. Tuy nhiên, vật liệu gốc sắt thường được hiểu là chất xúc tác kém hơn, dẫn đến hiệu suất không đạt yêu cầu. Do đó, các thành phần của vật liệu phải được tinh chỉnh để xác định vật liệu hoạt động tốt nhất.

    Làm việc theo hướng này, một nhóm nghiên cứu do Giáo sư Francesco CIUCCI từ Khoa Cơ khí & Kỹ thuật Hàng không vũ trụ và Khoa Kỹ thuật Hóa học & Sinh học dẫn đầu đã kết hợp các mô phỏng nguyên tắc đầu tiên, phân tích quỹ đạo phân tử và các thí nghiệm để thiết kế loại gốm mới, rẻ tiền sử dụng giá rẻ. các nguyên tố, chẳng hạn như bari (Ba), sắt (Fe) và zirconi (Zr), dẫn đến PCFC có hiệu suất kỷ lục.

    Nhóm nghiên cứu đã thiết kế vật liệu catốt từ các nguyên tắc hóa lý cơ bản và lý thuyết hàm mật độ. Thông qua quá trình tối ưu hóa có hướng dẫn bằng máy tính, Ba0,875Fe0,875Zr0,125O3-δ (D-BFZ) được xác định là vật liệu catốt hứa hẹn nhất. Các thí nghiệm cho thấy D-BFZ có hoạt động điện hóa đặc biệt để 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 vận hành tuyệt vời. Hơn nữa, D-BFZ có thể được sản xuất bằng cách sử dụng các kỹ thuật tổng hợp đơn giản, phù hợp với sản xuất hàng loạt, đây là một bước quan trọng để hiện thực hóa các PCFC khả thi về mặt thương mại.

    "Công nghệ PCFC có thể biến đổi và có nhiều cơ hội thú vị để phát triển nó hơn nữa. Chúng tôi sẽ tiếp tục tận dụng các tính toán và thử nghiệm nguyên tắc đầu tiên để cải thiện hiệu suất của PCFC. Nếu sử dụng ngược lại, PCFC sẽ có tác động to lớn đến Các lĩnh vực khử cacbon, chẳng hạn như luyện kim, sản xuất amoniac và vận tải hạng nặng," Giáo sư Ciucci cho biết.

    Công trình nghiên cứu của nhóm gần đây đã được xuất bản trên Nature Catalysis và được nêu bật trong Nature Reviews Materials.

    Zalo
    Hotline