Màng lưỡng cực là một loại polyme dẫn ion bao gồm hai lớp tích điện trái dấu, được gọi là lớp trao đổi cation và lớp trao đổi anion. Những màng này là trung tâm cho hoạt động của nhiều công nghệ khác nhau, bao gồm máy điện phân và pin nhiên liệu hydro.
Sự hòa tan ion (de) trong quá trình phân ly nước BPM và hình thành nước. Nguồn: Năng lượng thiên nhiên (2024). DOI: 10.1038/s41560-024-01484-z
Trong khi nhiều công ty và công ty khởi nghiệp đang sử dụng màng lưỡng cực để phát triển các công nghệ năng lượng mới thì nguyên lý hoạt động cơ bản và động học hòa tan ion của chúng vẫn chưa được làm rõ hoàn toàn. Hiểu rõ hơn những nguyên tắc này có thể giúp ích cho việc chế tạo những vật liệu này trong tương lai và tạo điều kiện thuận lợi cho việc tích hợp thành công chúng vào các thiết bị khác nhau.
Các nhà nghiên cứu tại Viện Fritz-Haber thuộc Hiệp hội Max Planck gần đây đã thực hiện một nghiên cứu để kiểm tra sự phân ly nước và động học solvaton ion tại giao diện giữa hai lớp trong màng lưỡng cực. Bài báo của họ, được xuất bản trên tạp chí Nature Energy, đã thu thập những hiểu biết mới có giá trị có thể định hướng cho việc thiết kế các màng này trong tương lai và các chất xúc tác điện đầy hứa hẹn cho pin nhiên liệu.
Sebastian Oener, tác giả tương ứng của nghiên cứu, nói với Tech Xplore: “Chúng tôi muốn hiểu các nguyên tắc hoạt động cơ bản của màng lưỡng cực và cách chúng kết nối với điện hóa học một cách rộng rãi hơn”. “Màng lưỡng cực đã tồn tại hơn 65 năm, nhưng những giải thích trước đây về nguyên lý hoạt động của chúng khá không thỏa đáng. Chúng tôi muốn thay đổi điều đó, kết nối hai lĩnh vực mà trước đây được cho là tách biệt”.
Màng lưỡng cực bao gồm một lớp trao đổi anion polyme (màu xanh) và lớp trao đổi cation (màu cam) được kẹp với nhau. Sự tích tụ điện dung không gian bên trong các lớp polymer có thể dẫn đến điện trường không cân bằng trên lớp xúc tác hạt nano oxit kim loại được đặt ở điểm nối giữa các màng. Các trường này, cùng với hóa học axit-bazơ cụ thể, xác định động học phân ly nước và động học hòa tan ion của hệ thống. Khi được sử dụng bên trong máy điện phân, ví dụ, phản ứng tạo oxy (OER) có thể được vận hành ở pH kiềm cục bộ và phản ứng tạo hydro (HER) ở pH axit cục bộ. Việc điều chỉnh độ pH cục bộ trên bề mặt chất xúc tác điện có thể được sử dụng để sử dụng các vật liệu có nhiều trong đất, cải thiện động học và độ ổn định của chất xúc tác, thậm chí cả tính chọn lọc trong máy điện phân CO2RR và các hệ thống khác. Tín dụng: Rodellar và cộng sự.
Để tiến hành nghiên cứu của họ, Carlos Gomez Rodellar, tác giả đầu tiên và Tiến sĩ. sinh viên Khoa Khoa học Giao diện, đã phải giải quyết nhiều thách thức nghiên cứu khác nhau trong môi trường thực nghiệm. Đầu tiên, anh phải thiết lập và đánh giá một hệ thống cho phép anh nghiên cứu động học của màng lưỡng cực mà không có sự can thiệp không mong muốn từ sự giao nhau của các ion điện phân.
Oener giải thích: “Hệ thống này phải tạo áp suất vật lý liên tục lên cụm điện cực màng với các chất xúc tác oxit kim loại bên trong mối nối lưỡng cực”. "Cuối cùng, Carlos phải thiết kế toàn bộ hệ thống theo cách mà chúng tôi có thể thay đổi nhiệt độ của tế bào và khí được làm ẩm một cách có kiểm soát để thực hiện phân tích Arrhenius và trích xuất entropy và entanpy kích hoạt phụ thuộc độ lệch. Tất cả điều này có thể được cung cấp bằng một trạm thử nghiệm pin nhiên liệu đã được sửa đổi."
Các phép đo được các nhà nghiên cứu thu thập đã vẽ nên một bức tranh toàn diện về các nguyên tắc cơ bản làm nền tảng cho hoạt động của màng lưỡng cực. Cụ thể, họ đã tiết lộ mối quan hệ phụ thuộc độ lệch giữa entropy kích hoạt và entanpy bên trong mối nối lưỡng cực, dường như có liên quan đến sự phân tán phụ thuộc độ lệch của điện dung bề mặt.
Nhóm nghiên cứu cũng quan sát thấy động học hòa tan trong màng lưỡng cực biểu hiện các đặc điểm không liên quan đến thành phần hóa học của chất xúc tác được sử dụng nhưng có khả năng bắt nguồn từ những thay đổi entropic trong chất điện phân bề mặt. Nói chung, những hiểu biết này có thể giúp phát triển màng lưỡng cực hoạt động tốt hơn cho quá trình chạy thận điện, máy điện phân CO2 và pin nhiên liệu H2.
Phân ly nước và hòa tan ion cho các mức độ ghép điện dung khác nhau. Nguồn: Năng lượng thiên nhiên (2024). DOI: 10.1038/s41560-024-01484-z
Oener cho biết: “Có rất nhiều ứng dụng khác nhau của màng lưỡng cực đang được khám phá trên khắp thế giới, bao gồm cả ở các công ty khởi nghiệp đầy triển vọng”. “Thực sự có rất nhiều tiềm năng. Ngoài màng lưỡng cực, chúng tôi còn có thể chứng minh rằng cơ chế vật lý tương tự cũng diễn ra khi nước bị phân ly và các ion hydroxit hòa tan ở các bề mặt xúc tác điện.”
Các kết quả được nhóm nghiên cứu tại Khoa Khoa học Giao diện của Viện Fritz Haber thu thập chứng minh tầm quan trọng của những thay đổi entropic ở phía dung môi tại các bề mặt phân cách lỏng-rắn. Do đó, công trình của họ cũng có thể hướng dẫn việc thiết kế các chất xúc tác điện mới đầy hứa hẹn để bắt đầu các phản ứng hóa học cụ thể, chẳng hạn như những phản ứng cần thiết để tạo ra hydro xanh từ chất điện phân kiềm.
Oener nói thêm: “Về màng lưỡng cực, vẫn còn những câu hỏi cơ bản mở mà chúng tôi muốn giải quyết”.
"Ví dụ, phản ứng tạo thành nước rất quan trọng khi màng lưỡng cực chạy theo hướng thuận. Chúng tôi cũng khám phá một số ứng dụng phối hợp với các ứng dụng khác. Chúng bao gồm các loại pin nhiên liệu khác nhau và các hệ thống loại điện phân. Khi nói đến quá trình hòa tan ion trong điện phân, chúng tôi có nhiều dự án đang được xem xét hoặc sắp được gửi. Hãy theo dõi để biết thêm thông tin."
Mời đối tác xem hoạt động của Công ty TNHH Pacific Group.
FanPage: https://www.facebook.com/Pacific-Group
YouTube: https://www.youtube.com/@PacificGroupCoLt
