Nhóm nghiên cứu do Giáo sư Jong-Sung Yu thuộc Khoa Khoa học và Kỹ thuật Năng lượng tại DGIST đứng đầu đã phát triển một phương pháp nhiệt độ thấp để tổng hợp chất hỗ trợ carbon được graphit hóa cao giúp cải thiện đáng kể tuổi thọ của pin nhiên liệu hydro. Họ kỳ vọng rằng kết quả của nghiên cứu này sẽ làm tăng khả năng thương mại hóa để sử dụng trong pin nhiên liệu cho xe cộ, pin điện phân nước và máy bay không người lái. Công trình được công bố trên tạp chí Ứng dụng Xúc tác B: Môi trường.
Tầm quan trọng của pin nhiên liệu hydro đang tăng lên cùng với nhu cầu ngày càng tăng về năng lượng thân thiện với môi trường. Do đó, các nghiên cứu để cải thiện hiệu suất và tuổi thọ của pin nhiên liệu hydro đang được tiến hành, đặc biệt tập trung vào các phương pháp tăng hoạt động và sử dụng bạch kim (Pt) làm chất xúc tác pin nhiên liệu.
Chất xúc tác pin nhiên liệu dựa trên bạch kim có hiệu quả cao, nhưng chúng đắt tiền và có độ bền lâu dài kém. Để giải quyết vấn đề này, Bộ Năng lượng Hoa Kỳ đang tích cực tìm kiếm giải pháp cho những vấn đề này để cho phép sử dụng rộng rãi pin nhiên liệu.
Vấn đề chính với độ bền lâu dài là sự không ổn định của chất xúc tác dựa trên bạch kim và chất hỗ trợ carbon của nó. Điện áp cao được tạo ra trong quá trình vận hành khởi động-dừng phá vỡ các giá đỡ carbon, khiến bạch kim được hỗ trợ tách ra và giảm độ dẫn điện. Một giải pháp cho việc giảm hiệu suất pin nhiên liệu này là rất cần thiết, nhưng vì việc cải thiện độ bền của vật liệu carbon là một thách thức, nên hầu hết các nghiên cứu đều tập trung vào các chất xúc tác dựa trên bạch kim.
Tăng graphitity giúp tăng cường độ bền của vật liệu carbon. Tuy nhiên, độ graphit chỉ có thể được tăng lên bằng cách xử lý nhiệt ở nhiệt độ cao (2.000℃ hoặc cao hơn), gây khó khăn cho việc tạo ra các đặc tính có thể cải thiện hiệu suất của pin nhiên liệu. Do đó, cần có một chiến lược tổng hợp mới có thể tạo ra các đặc tính hữu ích của vật liệu carbon theo cách ít tốn năng lượng hơn.
Nhóm nghiên cứu của Giáo sư Yu đã phát triển một phương pháp tổng hợp mới có thể tạo ra độ graphit cao ngay cả ở nhiệt độ tương đối thấp là 650℃. Đó là một quy trình đơn giản làm nóng tiền chất hữu cơ chứa nitơ với bột magie (Mg). Nhiệt độ của quá trình xử lý đã được hạ xuống một cách chưa từng có bằng cách sử dụng khả năng khử của magie. Ngoài ra, magiê đóng vai trò là khuôn mẫu riêng của nó để cung cấp cấu trúc xốp và diện tích bề mặt riêng cao cho vật liệu carbon được graphit hóa cao. Người ta đã xác nhận rằng lượng nitơ vừa đủ đã được pha tạp vào vật liệu cacbon bằng quy trình nhiệt độ thấp.
Phương pháp xử lý nhiệt độ thấp dựa trên magie do nhóm phát triển đã tạo ra chất hỗ trợ cacbon vượt trội đáp ứng ba điều kiện thiết yếu của chất xúc tác điện hóa: tính than chì để ổn định và dẫn điện, độ xốp và diện tích bề mặt tuyệt vời và pha tạp dị nguyên tử.
Nhóm nghiên cứu kỳ vọng rằng độ graphit cao sẽ cải thiện độ bền của chất hỗ trợ carbon và việc pha tạp nguyên tử dị loại sẽ ngăn chặn hiệu quả sự hòa tan bạch kim bằng cách liên kết ổn định với các hạt nano bạch kim. Để xác minh điều này, họ đã đánh giá độ bền của chất xúc tác bạch kim và chất hỗ trợ carbon bằng cách sử dụng giao thức do Bộ Năng lượng Hoa Kỳ đề xuất.
Cả chất xúc tác và hỗ trợ đều cho thấy sự ổn định vượt qua các mục tiêu của Bộ Năng lượng Hoa Kỳ. Mục tiêu về độ bền của chất hỗ trợ cacbon là hoạt tính giảm 40% trên mỗi khối lượng bạch kim, nhưng chất xúc tác cacbon pha tạp nitơ (Pt-HGNC) được graphit hóa cao của bạch kim chỉ bị mất 24% và ổn định hơn 3,5 lần so với bạch kim –chất xúc tác cacbon (Pt–C).
Giáo sư Yu thuộc Khoa Khoa học và Kỹ thuật Năng lượng tại DGIST cho biết họ "đã đề xuất một chiến lược tổng hợp ở nhiệt độ thấp để khắc phục những hạn chế của các phương pháp sản xuất vật liệu carbon hiện có và thông qua đó, một chất hỗ trợ carbon mới đã được tổng hợp. Chất xúc tác pin nhiên liệu mới được phát triển để mà nó đã được áp dụng là lần đầu tiên đáp ứng các tiêu chuẩn về độ bền của Bộ Năng lượng Hoa Kỳ cho cả chất xúc tác bạch kim và chất hỗ trợ carbon," và họ "hy vọng sẽ góp phần thương mại hóa pin nhiên liệu cho phương tiện và phát điện cũng như cải thiện độ bền của các chất xúc tác tế bào nhiên liệu."
