Chất xúc tác sắt ổn định có thể thay thế bạch kim trong pin nhiên liệu hydro
bởi Leah Shaffer, Đại học Washington ở St. Louis
Chất xúc tác iCVD: tổng hợp và nguyên lý. Nguồn: Nature Catalysis (2026). https://doi.org/10.1038/s41929-026-01482-2
Nhật Bản và California đã áp dụng công nghệ pin nhiên liệu hydro, một dạng năng lượng tái tạo có thể được sử dụng trong xe cộ và cung cấp năng lượng sạch cho các ngành sản xuất. Tuy nhiên, công nghệ này vẫn còn đắt đỏ do phụ thuộc vào các kim loại quý như bạch kim. Các kỹ sư tại Đại học Washington ở St. Louis đang nghiên cứu thách thức này, tìm cách ổn định các thành phần sắt phổ biến để sử dụng trong pin nhiên liệu nhằm thay thế kim loại bạch kim đắt tiền, giúp xe chạy bằng pin nhiên liệu hydro trở nên hợp lý hơn về giá cả.
Những thách thức về chi phí đối với xe chạy bằng pin nhiên liệu
"Pin nhiên liệu hydro đã được thương mại hóa thành công tại Nhật Bản và California, Hoa Kỳ," Gang Wu, giáo sư kỹ thuật năng lượng, môi trường và hóa học tại Trường Kỹ thuật McKelvey cho biết. "Nhưng những loại xe này khó cạnh tranh với xe chạy bằng pin và xe chạy bằng động cơ đốt trong, vấn đề chính là chi phí."
Ông ước tính, một chiếc xe chạy bằng xăng thông thường trị giá 30.000 đô la có thể có giá 70.000 đô la nếu được chuyển đổi thành xe chạy bằng pin nhiên liệu. Chất xúc tác bạch kim là thành phần đắt nhất, chiếm khoảng 45% tổng chi phí của các cụm pin nhiên liệu. Đáng chú ý, kim loại quý trong pin nhiên liệu không thể hưởng lợi từ hiệu quả kinh tế theo quy mô, và sự gia tăng đáng kể nhu cầu về hệ thống điện pin nhiên liệu càng làm tăng thêm giá bạch kim vốn đã cao.
Ổn định chất xúc tác sắt
Trong nghiên cứu được công bố trên tạp chí Nature Catalysis, Wu và nhóm của ông đã trình bày cách họ ổn định chất xúc tác sắt để sử dụng trong pin nhiên liệu, điều này sẽ làm giảm chi phí cho xe chạy bằng pin nhiên liệu và các ứng dụng chuyên biệt khác như hàng không tầm thấp và trung tâm dữ liệu trí tuệ nhân tạo.
Pin nhiên liệu hydro hoạt động để tạo ra điện năng không phát thải thông qua hydro và oxy, hai thành phần cấu tạo của nước. Nhờ chất xúc tác, hai nguyên tố này tạo ra nước, điện và nhiệt cho đến khi lượng hydro trên xe cạn kiệt, trong khi oxy được lấy từ không khí. Người dân có thể tiếp nhiên liệu cho xe chạy bằng pin nhiên liệu hydro tại các trạm lớn, tương tự như cách các đoàn xe buýt trường học tiếp nhiên liệu tại cùng một trạm trung tâm, vì vậy thách thức về cơ sở hạ tầng tiếp nhiên liệu có thể dễ dàng được khắc phục. Đây là năng lượng sạch, nhưng các kim loại quý được sử dụng trong xe có thể làm tăng đáng kể tổng chi phí, cản trở việc áp dụng rộng rãi.
Xem xét về hiệu quả và cơ sở hạ tầng
Theo Viện Nghiên cứu Môi trường và Năng lượng, pin nhiên liệu có thể trích xuất hơn 60% năng lượng của nhiên liệu trong khi động cơ đốt trong chỉ thu hồi được dưới 20% năng lượng của xăng. Hiệu suất đó có thể đạt 85% khi nhiệt lượng mà pin nhiên liệu tạo ra cũng được tận dụng để sản xuất điện.
Không giống như ô tô chạy bằng pin điện, người dân không thể sạc lại xe chạy bằng pin nhiên liệu bằng nguồn điện gia đình. Vì vậy, cần phải có cơ sở hạ tầng tiếp nhiên liệu hydro giá cả phải chăng và dễ tiếp cận để công nghệ sạch này phát triển. Việc sử dụng chất xúc tác sắt dồi dào và giá cả phải chăng sẽ giúp giảm đáng kể chi phí đó. Nhưng trước hết, các nhà nghiên cứu cần làm cho sắt ổn định hơn để có thể xử lý các phản ứng hóa học trong pin nhiên liệu.
Cách thức hoạt động của phương pháp xúc tác mới
Wu và nhóm của ông đã làm được điều đó bằng cách tạo ra một loại hơi hóa học gồm các khí có thể ổn định chất xúc tác sắt trong quá trình kích hoạt nhiệt, một cách tiếp cận sáng tạo để cải thiện đáng kể độ ổn định của chất xúc tác trong khi vẫn duy trì hoạt động đầy đủ trong pin nhiên liệu màng trao đổi proton (PEMFC). Kết quả là độ bền của chất xúc tác sắt được cải thiện đáng kể, cùng với mật độ năng lượng và tuổi thọ tăng lên.
Nhóm nghiên cứu đã chọn PEMFC trong số các loại nhiên liệu khác nhau vì chúng phù hợp nhất với các phương tiện hạng nặng, chẳng hạn như xe tải vận chuyển, xe buýt và thiết bị xây dựng - những phương tiện vốn đã được tiếp nhiên liệu tại các trung tâm tiếp nhiên liệu tập trung. Việc áp dụng công nghệ này trước tiên cho các đội xe hạng nặng là tiết kiệm chi phí và hiệu quả nhất, điều này sẽ tiếp tục giảm chi phí khi nó được sử dụng rộng rãi và đạt được hiệu quả kinh tế theo quy mô hơn nữa.
"Sau nhiều thập kỷ phải chịu đựng sự không ổn định kém, giờ đây chúng tôi đã có thể giải quyết vấn đề quan trọng này," Wu nói, đồng thời giải thích rằng các bước tiếp theo sẽ bao gồm việc tinh chỉnh hơn nữa các quy trình của họ để làm cho chất xúc tác sắt thậm chí còn tốt hơn cả kim loại quý cho pin nhiên liệu của tương lai.
Thông tin chi tiết: Zeng, Y., Qi, M., Liang, J. và cộng sự. Điều chỉnh quá trình lắng đọng khí tại chỗ để chế tạo chất xúc tác pin nhiên liệu khử oxy Fe–N–C có độ bền cao. Nature Catalysis (2026). doi.org/10.1038/s41929-026-01482-2
Thông tin tạp chí: Nature Catalysis
