Để giúp giải quyết vấn đề biến đổi khí hậu, chúng ta cần khẩn trương chuyển sang sử dụng năng lượng sạch. Ngành năng lượng là nguồn đóng góp đáng kể vào phát thải khí nhà kính, vốn là nguyên nhân chính gây ra hiện tượng nóng lên toàn cầu.
Tín dụng: Pixabay/CC0 Miền công cộng
Nhóm nghiên cứu của chúng tôi tại Đại học Western Ontario đang đổi mới các cách tạo ra điện sạch. Pin nhiên liệu luôn đi đầu trong nỗ lực này, mang lại nhiều lợi thế trong việc theo đuổi các giải pháp năng lượng bền vững.
Những thiết bị này đưa ra một lộ trình đầy hứa hẹn để làm sạch năng lượng bằng cách chuyển đổi hiệu quả năng lượng hóa học thành điện năng chỉ với nước và nhiệt là sản phẩm phụ. Điều này làm cho chúng trở thành một lựa chọn thân thiện với môi trường để sản xuất điện.
Một trong những loại pin nhiên liệu hứa hẹn nhất là pin nhiên liệu màng điện phân polymer (PEMFC) vì các ứng dụng của nó trong giao thông vận tải cũng như các nguồn năng lượng di động và cố định, trong đó hiệu quả, khả năng đáp ứng và giảm lượng khí thải là những yếu tố quan trọng.
Bạch kim làm chất xúc tác
Một trong những thách thức lớn cản trở việc áp dụng rộng rãi PEMFC nằm ở việc sử dụng bạch kim, vốn đang gặp vấn đề do sự khan hiếm của nó. Sự phụ thuộc vào bạch kim này là do khả năng tạo điều kiện thuận lợi cho phản ứng khử oxy (ORR), đây là một quá trình cơ bản trong việc sản xuất năng lượng điện trong PEMFC.
ORR liên quan đến việc khử các phân tử oxy thành nước thông qua một loạt các phản ứng phức tạp. Quá trình này chịu trách nhiệm tạo ra năng lượng điện mà các tế bào nhiên liệu này cung cấp. Sự có mặt của bạch kim làm chất xúc tác làm giảm năng lượng cần thiết cho quá trình khử các phân tử oxy. Nếu không có bạch kim, ORR sẽ diễn ra quá chậm để mang lại khả năng sản xuất điện hiệu quả và thiết thực.
Tuy nhiên, chi phí cao và sự khan hiếm bạch kim đặt ra những thách thức đáng kể đối với khả năng tồn tại thương mại của PEMFC. Giá bạch kim ngày càng tăng đã khiến việc sử dụng nó trong sản xuất pin nhiên liệu quy mô lớn bị cấm về mặt kinh tế, ngăn cản PEMFC trở thành giải pháp năng lượng sạch chủ đạo.
Nghiên cứu của chúng tôi hướng tới việc tạo ra chất xúc tác có thể thay thế bạch kim một cách hiệu quả. Nhóm nghiên cứu của chúng tôi tận dụng các cơ sở tiên tiến như Nguồn sáng Canada, Nguồn Photon nâng cao và Nguồn Photon Đài Loan.
Bằng cách khai thác các tài nguyên và công nghệ này, chúng tôi khám phá các chiến lược khác nhau để phát triển chất xúc tác, thu được những hiểu biết sâu sắc về đặc điểm cấu trúc và hóa học của chúng, đồng thời hiểu rõ hơn cách chúng có thể thúc đẩy mục tiêu giảm sự phụ thuộc vào bạch kim của chúng tôi.
Lĩnh vực phức tạp của thiết kế chất xúc tác
Nghiên cứu của chúng tôi khám phá thiết kế chất xúc tác, tập trung cụ thể vào hai kỹ thuật cơ bản: hợp kim bạch kim với kim loại chuyển tiếp và chế tạo các cấu trúc lõi-vỏ phức tạp.
Hợp kim bạch kim là quá trình trộn bạch kim với các kim loại chuyển tiếp khác để nâng cao hiệu suất xúc tác. Cách tiếp cận này giúp tạo ra các chất xúc tác có khả năng phản ứng và độ bền được cải thiện, khiến chúng có hiệu quả cao trong nhiều ứng dụng, bao gồm cả pin nhiên liệu.
Ngoài việc hợp kim hóa, nghiên cứu của chúng tôi còn đi sâu vào phát triển các cấu trúc lõi-vỏ phức tạp. Theo phương pháp này, lõi kim loại tiết kiệm chi phí được bao bọc bởi một số lớp vỏ làm bằng vật liệu khác, mang lại sự bảo vệ đồng thời nâng cao hơn nữa hiệu quả xúc tác.
Thiết kế này cho phép kiểm soát chính xác các phản ứng xúc tác, tối ưu hóa đặc tính bề mặt và giảm thiểu lãng phí vật liệu.
Những thách thức dai dẳng
Bất chấp những tiến bộ của chúng tôi, độ bền của các chất xúc tác này đặt ra một thách thức. Tính không ổn định vốn có của chúng, nghĩa là có xu hướng xuống cấp, giảm hiệu quả hoặc trải qua những thay đổi không mong muốn, là rào cản đáng kể cho các ứng dụng trong thế giới thực.
Nhóm nghiên cứu của chúng tôi đã tìm ra một giải pháp tiềm năng: truyền chất pha tạp coban vào bề mặt và vùng gần bề mặt của chất xúc tác. Điều này tạo ra các chất xúc tác gốc bạch kim có khả năng chịu được các điều kiện khắc nghiệt và thời gian trôi qua. Điều này giúp tăng cường đáng kể độ bền và hiệu quả của các chất xúc tác này.
Nhóm của chúng tôi đã phát triển các hạt mới—lõi palađi-bạch kim pha tạp coban—có cấu trúc bát diện đặc biệt và khả năng phục hồi đặc biệt trước cả môi trường hóa học khắc nghiệt và thời gian sử dụng kéo dài.
Cấu trúc nano cải tiến này, có lõi bằng palladium và lớp vỏ ngoài bằng bạch kim, cùng với việc bổ sung nguyên tử coban vào lớp vỏ bạch kim, mang lại cho các hạt nano này độ bền đặc biệt. Chúng thể hiện khả năng vượt trội trong việc chống lại sự xuống cấp và duy trì hoạt động xúc tác trong thời gian dài.
Sau quá trình kiểm tra kỹ lưỡng bao gồm 20.000 chu kỳ kiểm tra độ bền tăng tốc, được thiết kế để hiểu rõ hơn về cách chất xúc tác xuống cấp trong điều kiện phòng thí nghiệm được kiểm soát cẩn thận, hiệu suất của chúng chỉ giảm tối thiểu 2% so với trạng thái ban đầu khi bắt đầu thử nghiệm.
Tiềm năng tương lai
Các hạt nano vỏ lõi palladium-bạch kim pha tạp coban có tiềm năng cách mạng hóa công nghệ pin nhiên liệu. Lời hứa của họ là chất xúc tác ORR hiệu quả cao và bền bỉ chỉ ra con đường hướng tới một tương lai năng lượng bền vững hơn.
Nghiên cứu của chúng tôi phù hợp với nhu cầu cấp thiết nhằm chống biến đổi khí hậu như một cuộc khủng hoảng toàn cầu. Bằng cách thay thế nhiên liệu hóa thạch bằng các nguồn năng lượng thay thế sạch hơn, chúng ta có thể đóng góp cho một tương lai bền vững và linh hoạt hơn.
