Kỹ thuật tách coban giúp tăng cường hiệu suất pin nhiên liệu oxit rắn
Tổ chức Hợp tác Công nghiệp – Đại học Quốc gia Hanbat
Sự tách coban xảy ra trong các oxit perovskite phân lớp trong môi trường oxy hóa, trên 700°C, và được điều chỉnh bởi sự hình thành các lỗ trống oxy trong vật liệu. Nguồn: Đại học Quốc gia Hanbat
Pin nhiên liệu là một giải pháp thay thế hiệu quả và sạch cho các hệ thống năng lượng truyền thống dựa trên nhiên liệu hóa thạch. Pin nhiên liệu oxit rắn (SOFC) đặc biệt hấp dẫn nhờ khả năng sử dụng nhiều loại nhiên liệu, hiệu suất cao và khả năng đảo ngược. Oxit perovskite phân lớp đất hiếm pha tạp Coban (Co) là vật liệu catốt hấp dẫn cho các SOFC nhiệt độ thấp và trung bình. Chúng mang lại hiệu suất điện hóa tuyệt vời nhờ hàm lượng oxy cao và khả năng kiểm soát linh hoạt quá trình vận chuyển oxy.
Tuy nhiên, các điện cực được chế tạo từ những vật liệu này có độ ổn định lâu dài thấp. Các chiến lược chính để giải quyết vấn đề này bao gồm thay thế một số Co bằng sắt (Fe) và nuôi cấy các hạt nano Co trên bề mặt điện cực thông qua một quá trình gọi là tách kim loại. Tuy nhiên, quá trình giải phóng điện chỉ được chứng minh trong môi trường khử nhiệt độ cao. Trong môi trường oxy hóa thực tế của catốt SOFC, quá trình này bị đảo ngược.
Một nhóm nghiên cứu do Giáo sư Junghyun Kim thuộc Khoa Kỹ thuật Vật liệu Tiên tiến, Đại học Quốc gia Hanbat, Hàn Quốc, dẫn đầu, hiện đã thách thức quan điểm này. "Chúng tôi đã trình bày bằng chứng thực nghiệm đầu tiên về quá trình đồng giải phóng điện xảy ra trong môi trường oxy hóa ở nhiệt độ cao, thách thức mô hình thông thường", Giáo sư Kim giải thích. Nghiên cứu của họ đã được công bố trên Tạp chí Nguồn điện vào ngày 30 tháng 8 năm 2025.
Đầu tiên, các nhà nghiên cứu đã nghiên cứu các tính chất điện hóa và hàm lượng oxy (O) của hai cấu trúc perovskite lớp: SmBa0,45Sr0,5(Co1-xFex)1,9O5+d (SBSCF 1,9) và SmBa0,5Sr0,48(Co1-xFex)2,05O5+d (SBSCF 2,05). Hai mẫu cụ thể của các cấu trúc này: một mẫu với 30% Fe thay thế trong SBSCF 1,9 (SBSCF 1,9-0,3) và một mẫu với 50% Fe thay thế trong SBSCF 2,05 (SBSCF 2,05–0,5) cho thấy hiệu suất điện hóa cao nhất và được chọn để nghiên cứu thêm.
Khi tiếp xúc với môi trường oxy hóa ở nhiệt độ cao, cả hai mẫu đều thể hiện sự giải phóng Co trên 700°C. Số lượng hạt tăng lên khi nhiệt độ tăng, đạt cực đại ở 900°C.
Các nhà nghiên cứu giải thích rằng trong điều kiện oxy hóa và môi trường nhiệt độ cao, các liên kết Co–O yếu hơn bị phá vỡ, trong khi các liên kết Fe–O vẫn ổn định. Các nguyên tử oxy bị phân ly này khuếch tán lên bề mặt, tạo thành các lỗ hổng oxy trong vật liệu. Các lỗ hổng này và Co sau đó tách ra cùng nhau về phía bề mặt, dẫn đến sự giải phóng Co. Khi nhiệt độ tăng, nhiều hạt giải phóng Co xuất hiện hơn.
Điều thú vị là SBSCF 1,9-0,3 tạo thành các hạt Co nhỏ hơn nhưng được giải phóng nhiều hơn so với SBSCF 2,05–0,5. Điều này dẫn đến điện trở suất riêng (ASR) thấp hơn và hoạt động phản ứng khử oxy (ORR) cao hơn. Điều này có liên quan đến nồng độ lỗ hổng oxy bề mặt cao hơn, bắt nguồn từ hàm lượng Fe thấp hơn. Nó cũng có hàm lượng Co cao hơn.
"Kết quả của chúng tôi cho thấy việc hình thành các hạt Co2 tan rã phân tán mịn là rất quan trọng để tối ưu hóa hiệu suất điện hóa của catốt SOFC", Giáo sư Kim cho biết. "Ngoài SOFC, những phát hiện này cũng có thể mang lại lợi ích cho màng tách oxy và hệ thống xúc tác môi trường cho các công nghệ không khí sạch, và pin nhiên liệu gốm proton sắp ra mắt."
Nghiên cứu này mở ra một hướng đi mới cho nghiên cứu pin nhiên liệu, hướng đến các thiết kế hiệu quả và hiệu suất cao hơn.
Thông tin thêm: Jeong Yun Park và cộng sự, Dung dịch Co2 tan rã kim loại cho thiết kế xúc tác và tăng cường điện hóa cho catốt pin nhiên liệu oxit rắn không theo tỷ lượng, Tạp chí Nguồn điện (2025). DOI: 10.1016/j.jpowsour.2025.237402
Thông tin tạp chí: Tạp chí Nguồn điện
