Giải pháp nano vết nứt nâng cao hiệu suất sản xuất hydro
Hydro hiện là một nguồn năng lượng quan trọng, phục vụ sản xuất phân bón, luyện thép, lọc dầu và hàng chục ngành công nghiệp khác, với quy mô toàn cầu hơn 250 tỷ USD. Tuy nhiên, hầu hết hydro ngày nay vẫn được sản xuất bằng phương pháp phát thải carbon cao, khiến các nhà khoa học nỗ lực tìm ra giải pháp sạch hơn và rẻ hơn.
Một hướng đi đầy tiềm năng là điện phân nước, sử dụng điện để tách phân tử nước (H₂O) thành hydro (H₂) và oxy (O₂). Thành phần cốt lõi trong hệ thống là màng ngăn, cho phép ion hydro (proton) đi qua trong khi ngăn hai loại khí trộn lẫn. Loại màng tiêu chuẩn hiện nay là Nafion, thuộc nhóm hóa chất PFAS “vĩnh cửu”, có khả năng tồn tại hàng thập kỷ trong môi trường và gây rủi ro ô nhiễm nghiêm trọng.
Tại Trường Kỹ thuật Columbia, kỹ sư hóa học Dan Esposito và nhóm của ông đang phát triển màng oxit siêu mỏng, không chứa PFAS để thay thế Nafion, với sự hỗ trợ của Bộ Năng lượng Hoa Kỳ, Nel Hydrogen, và Forge Nano. Việc thay thế này có thể loại bỏ tới 99% lượng PFAS trong một bộ điện phân.
Trong nghiên cứu mới công bố trên tạp chí ACS Nano, nhóm đã trình bày quy trình chế tạo màng siêu mỏng bằng công nghệ lắng đọng lớp nguyên tử (atomic layer deposition), tạo ra màng silic oxit có độ dày dưới 1 micron – tức mỏng hơn tóc người khoảng 100 lần – nhưng vẫn đảm bảo hiệu suất dẫn proton cao.
Thách thức lớn là các lỗ hoặc vết nứt siêu nhỏ có thể khiến hydro rò sang phía oxy, gây nguy hiểm. Để khắc phục, nhóm phát triển phương pháp bịt kín nano bằng xung điện áp, giúp các phản ứng hóa học diễn ra chính xác trong vết nứt mà không làm dày màng.
Kết quả cho thấy các màng được “vá” bằng nano có tỷ lệ rò hydro thấp hơn tới 100 lần so với Nafion, dù mỏng hơn hàng trăm lần. Nhờ hợp tác với các đối tác công nghiệp, nhóm hiện đang mở rộng quy mô từ thí nghiệm sang nguyên mẫu thương mại.
Theo Esposito, kỹ thuật “bịt nano” này còn có thể ứng dụng cho pin nhiên liệu, pin dòng, xử lý nước và bán dẫn. Tr before. Trong hiện tại, nhóm tập trung giúp quá trình điện phân nước trở nên kinh tế hơn và thân thiện môi trường hơn.
“Hiện nay, chưa đến 0,1% hydro toàn cầu đến từ điện phân,” Esposito chia sẻ. “Nếu muốn mở rộng bền vững, chúng ta cần những màng hiệu suất cao mà vẫn thân thiện môi trường — đó chính là mục tiêu của chúng tôi.”
