KAIST công bố màng lọc hydro hiệu quả, thân thiện môi trường: Đột phá trong tách khí sạch
13/08/2026 | Annie Nguyễn
Để hydro có thể được sử dụng rộng rãi như một nguồn năng lượng sạch trong đời sống hàng ngày, công nghệ có khả năng chiết xuất hydro với độ tinh khiết cao từ các hỗn hợp khí là điều kiện tiên quyết. Mới đây, các nhà nghiên cứu tại Viện Khoa học và Công nghệ Tiên tiến Hàn Quốc (KAIST) đã công bố một chiến lược mới nhằm phát triển các màng phân tách hiệu suất cao, có khả năng chọn lọc hydro để sản xuất năng lượng hydro sạch.
Nhóm nghiên cứu. Từ trái sang: Tiến sĩ Hongju Lee, hiện là nghiên cứu sinh sau tiến sĩ tại KIST (tác giả chính); Giáo sư Tae-Hyun Bae thuộc Khoa Kỹ thuật Hóa học và Sinh học phân tử, KAIST (tác giả liên hệ); và Suhyeon Choi, nghiên cứu sinh tiến sĩ tại Khoa Kỹ thuật Hóa học và Sinh học phân tử, KAIST (tác giả thứ hai).
Ngày 13 tháng 8, KAIST (do Chủ tịch Choongsik Bae đứng đầu) thông báo rằng nhóm nghiên cứu do Giáo sư Tae-Hyun Bae thuộc Khoa Kỹ thuật Hóa học và Sinh học Phân tử dẫn dắt đã thành công trong việc đưa các đường dẫn vận chuyển chọn lọc hydro ở kích thước angstrom (Å) vào bên trong màng polymer, đồng thời làm rõ hiệu suất phân tách của chúng thông qua khái niệm "độ hoàn thiện mạng lưới".
*Lưu ý: Angstrom (Å) là một đơn vị đo độ dài cực nhỏ, thường được dùng để đo bước sóng ánh sáng hoặc kích thước nguyên tử, phân tử. Một angstrom bằng một phần trăm triệu của centimet, hay một phần mười tỷ mét, tương đương khoảng một phần triệu độ dày của sợi tóc người.
Hydro đang thu hút sự chú ý như một nguồn năng lượng thân thiện môi trường vì nó không thải ra chất gây ô nhiễm khi sử dụng. Tuy nhiên, việc tách hydro với độ tinh khiết cao từ các hỗn hợp khí sinh ra trong quá trình sản xuất vẫn là một thách thức then chốt đối với quá trình thương mại hóa.
Các vật liệu xốp tinh thể như khung kim loại hữu cơ (MOF) và khung hữu cơ cộng hóa trị (COF) có lợi thế vì các lỗ xốp của chúng có thể được thiết kế đồng đều. Tuy nhiên, chúng khó có thể chế tạo trên diện tích lớn mà không có khuyết tật và gặp hạn chế trong việc tách các phân tử nhỏ như hydro. Ngược lại, màng polymer dễ xử lý và mở rộng quy mô lên diện tích lớn hơn, nhưng do quá trình hình thành lỗ xốp khó kiểm soát chính xác nên việc nâng cao hiệu suất phân tách vượt quá một mức độ nhất định vẫn là một bài toán khó.
Để kết hợp ưu điểm của cả hai loại vật liệu, nhóm nghiên cứu đã thiết kế một cấu trúc mạng lưới mô-đun, trong đó các chuỗi polymer được liên kết với nhau bằng các chất liên kết ngang. Trong quá trình này, nhóm nghiên cứu tập trung vào hạn chế của các chỉ số truyền thống như mức độ liên kết ngang (CD) và mức độ liên kết ngang hiệu dụng (ECD) – những chỉ số trước đây thường được sử dụng để mô tả mức độ liên kết ngang – nhưng không thể xác định liệu các lỗ xốp có ích cho việc phân tách đã thực sự được hình thành hay chưa.
Do đó, các nhà nghiên cứu đã đề xuất một chỉ số mới gọi là Mức độ kết nối cầu (Bridge Connectivity Degree - BCD), phản ánh tỷ lệ các chất liên kết ngang được kết nối ở cả hai đầu để tạo thành các đường dẫn hoàn chỉnh. Điều này giúp có thể áp dụng một cách định lượng khái niệm "kết nối khung hoàn chỉnh" – vốn đã được nhấn mạnh trong các vật liệu xốp vô cơ – vào các mạng polymer.
Màng mới được phát triển, mang tên ms-oDMB-DB50, đã đạt được mức độ kết nối cầu cao tới 73%. Cả độ thấm hydro và độ chọn lọc hydro/nitơ của màng đều được cải thiện đáng kể so với vật liệu gốc DB50. Phân tích cho thấy màng này chứa nhiều siêu vi lỗ xốp nhỏ hơn 3 Å, kích thước mà carbon dioxide không thể xâm nhập. Nhóm nghiên cứu cũng đề xuất một "phương pháp thăm dò mật độ", sử dụng các phân tử helium – nhỏ hơn hydro – làm đầu dò để xác minh bằng thực nghiệm sự tồn tại của các siêu vi lỗ xốp này.
Màng mới cũng hoạt động ổn định trong suốt 100 giờ mà không có bất kỳ sự suy giảm hiệu suất nào. Độ bền kéo, tức lực mà màng có thể chịu được trước khi đứt, cao gấp khoảng hai lần so với các màng polymer hiệu suất cao đã được báo cáo trước đây, khẳng định độ bền vững cần thiết cho các quy trình công nghiệp.
Tiến sĩ Hongju Lee cho biết: "Đã có những nỗ lực trước đây nhằm kết hợp ưu điểm của hai loại vật liệu này, nhưng nghiên cứu này khác biệt ở chỗ nó định nghĩa 'mức độ hoàn thiện của kết nối mạng lưới' như một giá trị định lượng và trực tiếp liên kết giá trị đó với hiệu suất phân tách." Ông nói thêm: "Chúng tôi hy vọng nghiên cứu này sẽ đóng vai trò là điểm khởi đầu để mở rộng tổng hợp mạng lưới (reticular synthesis) – một nguyên lý thiết kế được sử dụng cho các rây phân tử vô cơ – sang màng polymer."
Giáo sư Tae-Hyun Bae cho biết: "Bằng cách khâu các chuỗi polymer lại với nhau bằng các chất liên kết ngang khớp với nhau như các khối Lego, chúng tôi đã hình thành một mạng lưới bên trong màng, cho phép chỉ các phân tử khí hydro nhỏ mới có thể đi qua."
Công trình nghiên cứu này do Tiến sĩ Hongju Lee (hiện là nghiên cứu sinh sau tiến sĩ tại Viện Khoa học và Công nghệ Hàn Quốc - KIST) làm tác giả đầu tiên, và Giáo sư Tae-Hyun Bae làm tác giả liên hệ. Nghiên cứu đã được đăng tải trên tạp chí quốc tế Nature Communications vào ngày 23 tháng 7 với tiêu đề "Network completeness enables ångström-scale transport pathways in polymer membranes" (Mạng lưới hoàn chỉnh tạo ra các đường dẫn vận chuyển ở quy mô angstrom trong màng polymer). Nghiên cứu được tài trợ bởi Dự án Global C.L.E.A.N. 2025 và Chương trình Nghiên cứu viên Cấp cao (Mid-Career Researcher Program) thuộc Chương trình Nghiên cứu Cơ bản do Bộ Khoa học và Công nghệ ICT Hàn Quốc tài trợ.
