Mùa thu năm 2023 Diễn giả bài giảng Wulff Sossina Haile '86, PhD '92 sử dụng amoniac và vật liệu “siêu proton” để tạo ra năng lượng hiệu quả và thân thiện với môi trường.
Năng lượng tái tạo ngày nay - chủ yếu có nguồn gốc từ mặt trời hoặc gió - phụ thuộc vào pin để lưu trữ. Mặc dù chi phí đã giảm trong những năm gần đây nhưng việc theo đuổi các phương tiện lưu trữ năng lượng tái tạo hiệu quả hơn vẫn tiếp tục.
Sossina Haile SB '86, Tiến sĩ '92, Giáo sư Khoa học và Kỹ thuật Vật liệu Walter P. Murphy tại Đại học Northwestern, cho biết tại buổi nói chuyện gần đây tại MIT: “Thật không may, tất cả những công nghệ này còn một chặng đường dài phía trước”. Cô là diễn giả của Bài giảng Wulff mùa thu năm 2023, một sự kiện do Khoa Khoa học và Kỹ thuật Vật liệu (DMSE) tổ chức nhằm khơi dậy sự nhiệt tình đối với bộ môn này.
Để bổ sung vào tổ hợp năng lượng tái tạo - và giúp đẩy nhanh tốc độ hướng tới một tương lai bền vững - Haile đang nghiên cứu phương pháp tiếp cận dựa trên hydro trong pin nhiên liệu, đặc biệt là nhiên liệu thân thiện với môi trường trong ô tô. Pin nhiên liệu , giống như pin, tạo ra điện từ các phản ứng hóa học nhưng không mất điện miễn là nhiên liệu được cung cấp.
Để tạo ra năng lượng, hydro phải nguyên chất - không được gắn vào phân tử khác. Hầu hết các phương pháp sản xuất hydro ngày nay đều yêu cầu đốt nhiên liệu hóa thạch, tạo ra lượng khí thải carbon làm nóng hành tinh. Haile đề xuất một quy trình “xanh” sử dụng điện tái tạo để tách hydro từ hơi nước.
Khi hydro được sử dụng trong pin nhiên liệu, “sản phẩm của bạn là nước và đó là lượng khí thải tuyệt đẹp bằng không,” Haile nói, đề cập đến chu trình sản xuất năng lượng tái tạo đang được thiết lập.
Amoniac thúc đẩy tiềm năng của hydro
Hydro vẫn chưa được sử dụng rộng rãi làm nhiên liệu vì khó vận chuyển. Thứ nhất, nó có mật độ năng lượng thấp, nghĩa là cần một lượng lớn khí hydro để lưu trữ một lượng năng lượng có thể sử dụng được. Và việc lưu trữ nó là một thách thức vì các phân tử cực nhỏ của hydro có thể xâm nhập vào các thùng hoặc ống kim loại, gây ra các vết nứt và rò rỉ khí.
Giải pháp vận chuyển hydro của Haile là sử dụng amoniac để “vận chuyển” nó. Amoniac gồm ba phần hydro và một phần nitơ, vì vậy hydro cần được tách ra khỏi nitơ trước khi có thể sử dụng trong loại pin nhiên liệu có thể cung cấp năng lượng cho ô tô.
Haile cho biết, Amoniac có một số lợi thế, bao gồm việc sử dụng các đường ống hiện có và công suất truyền tải cao - vì vậy có thể truyền tải nhiều điện hơn vào bất kỳ thời điểm nào.
Để tách hydro từ amoniac, Haile đã chế tạo các thiết bị trông rất giống pin nhiên liệu, với xêsi dihydrogen photphat làm chất điện phân. Vật liệu “siêu proton” thể hiện độ dẫn proton cao – nó cho phép các proton, hoặc các hạt tích điện dương, di chuyển qua nó. Điều này rất quan trọng đối với hydro, chất chỉ có một proton và một electron. Bằng cách chỉ cho các proton đi qua chất điện phân, thiết bị sẽ loại bỏ hydro khỏi amoniac, để lại nitơ.
Vật liệu này còn có những lợi ích khác, Haile nói: “Nó không tốn kém, không độc hại, có nhiều trên trái đất - tất cả những điều tốt đẹp mà bạn muốn có khi nghĩ về công nghệ năng lượng bền vững”.
Video bài giảng Wulff mùa thu 2023
: Khoa Khoa học và Kỹ thuật Vật liệu
Khơi dậy sự quan tâm – và hy vọng
Bài nói chuyện của Haile đã thu hút sự quan tâm của khán giả, khán giả gần như lấp đầy khán phòng từ 6-120 người tại MIT, nơi có sức chứa khoảng 150 người.
Chuyên ngành khoa học và kỹ thuật vật liệu Nikhita Law nghe thấy hy vọng trong bài nói chuyện của Haile về một tương lai bền vững hơn.
Law cho biết: “Vấn đề lớn trong việc làm cho hệ thống năng lượng của chúng ta bền vững là tìm cách lưu trữ năng lượng từ năng lượng tái tạo”. Ngay cả khi ô tô chạy bằng hydro không có quy mô rộng như ô tô chạy bằng pin lithium, “một trạm lưu trữ năng lượng vĩnh viễn nơi chúng tôi chuyển đổi điện thành hydro và chuyển đổi ngược lại có vẻ như có ý nghĩa hơn là khai thác thêm lithium”.
Một sinh viên DMSE khác, học sinh cuối cấp Daniel Tong, đã biết về những thách thức liên quan đến việc vận chuyển hydro tại một buổi hội thảo khác và tò mò muốn tìm hiểu thêm. “Đây là điều tôi chưa từng nghĩ tới: Bạn có thể vận chuyển hydro hiệu quả hơn ở dạng khác không? Điều đó thực sự tuyệt vời.”
Ông nói thêm rằng những bài nói chuyện như Bài giảng của Wulff rất hữu ích trong việc giúp mọi người cập nhật thông tin về một lĩnh vực đa ngành, liên ngành như khoa học và kỹ thuật vật liệu, bao gồm hóa học, vật lý, kỹ thuật và các ngành khác. “Đây là một cách thực sự tốt để tiếp xúc với các phần khác nhau của khoa học vật liệu. Có rất nhiều khía cạnh hơn bạn biết.”
Trong bài nói chuyện của mình, Haile khuyến khích khán giả tham gia vào nghiên cứu tính bền vững.
Cô nói: “Có rất nhiều chỗ để hiểu sâu hơn và khám phá vật liệu.
Haile kết luận bằng cách nhấn mạnh những thách thức mà các nước đang phát triển phải đối mặt trong việc giải quyết các tác động của biến đổi khí hậu, đặc biệt là những nước gần xích đạo, nơi không có cơ sở hạ tầng đầy đủ để đối phó với những biến động lớn về lượng mưa và nhiệt độ. Đối với những người không có động lực giải quyết các vấn đề ảnh hưởng đến người dân ở bên kia thế giới, Haile mang lại thêm động lực.
“Tôi chắc rằng nhiều bạn thích cà phê. Điều này cũng sẽ khiến cây cà phê gặp nguy hiểm”, bà nói.
