Một chất xúc tác hợp kim bạch kim với một nguyên tố đất hiếm có thể làm giảm chi phí pin nhiên liệu
bởi Nhà xuất bản Đại học Thanh Hoa
Các hạt nano bạch kim-lantan hoạt động như chất xúc tác điện để tăng tốc độ phản ứng hóa học trong pin nhiên liệu hydro để sản xuất điện và nước. Nhà cung cấp hình ảnh: Nghiên cứu Nano, Nhà xuất bản Đại học Thanh Hoa
Các nhà nghiên cứu đã phát minh ra một phương pháp kết hợp bạch kim chi phí cao và một nguyên tố đất hiếm giá rẻ, lantan, làm hợp kim để làm chất xúc tác trong thế hệ pin nhiên liệu tiếp theo nhằm cải thiện hiệu suất và giảm giá thành của chúng. Sự phát triển này sẽ giúp việc khử cacbon dễ dàng hơn đối với những phương tiện vận tải hạng nặng không phù hợp với việc sử dụng pin.
Phương pháp này được mô tả trong một bài báo xuất hiện trên tạp chí Nano Research.
Pin có thể đã giành chiến thắng trong cuộc chiến chống lại pin nhiên liệu hydro để cung cấp năng lượng sạch cho ô tô, nhưng một số hình thức vận chuyển khác gặp khó khăn trong việc hoán đổi động cơ đốt trong lấy pin do một loạt trở ngại như trọng lượng và khối lượng của pin sẽ được yêu cầu đối với loại dịch vụ mà họ cung cấp. Điều này đặc biệt đúng đối với vận tải hạng nặng như vận tải biển, hàng không và vận tải đường dài. Trong những trường hợp này, hầu hết các nhà phân tích vận tải cho rằng họ có thể phụ thuộc vào một số loại nhiên liệu sạch để thay thế.
Pin nhiên liệu có thể cung cấp năng lượng cho xe cộ và các máy móc khác bằng cách biến năng lượng hóa học của hydro thành điện năng, với đầu ra duy nhất là nước và nhiệt. Cho đến nay, loại pin nhiên liệu được sử dụng phổ biến nhất trong một số thiết bị, từ vệ tinh đến Tàu con thoi, là pin nhiên liệu kiềm, được phát minh từ gần một thế kỷ trước.
Thế hệ tiếp theo có nhiều khả năng trông giống như pin nhiên liệu màng điện phân polyme (PEMFC), cũng sử dụng hydro để sản xuất điện, nhưng nó nhỏ gọn hơn nhiều, khiến nó trở nên đặc biệt hấp dẫn đối với các phương tiện vận tải hạng nặng.
Chìa khóa để làm cho các phản ứng điện hóa như vậy hiệu quả hơn — và do đó giảm chi phí của pin nhiên liệu để làm cho chúng cạnh tranh hơn với việc sử dụng nhiên liệu hóa thạch — là tìm ra chất xúc tác tốt hơn, vật liệu tăng tốc độ phản ứng đó.
Thật không may, trong số tất cả những "chất xúc tác điện" có thể tạo ra phản ứng hóa học quan trọng (phản ứng khử oxy, hay ORR), thì bạch kim là tốt nhất cho đến nay. Và bạch kim, một kim loại quý hiếm, không hề rẻ. Đối với PEMFC nói riêng, giá bạch kim quá cao đã là một rào cản lớn đối với việc áp dụng chúng. Sự xuống cấp nhanh chóng sau một số chu kỳ tương đối nhỏ của việc sử dụng chất xúc tác điện vốn đã đắt tiền này trong môi trường PEMFC có tính ăn mòn cao chỉ làm cho tình hình trở nên tồi tệ hơn.
"Vì vậy, cuộc săn lùng chất xúc tác điện có chi phí thấp, chống suy thoái tốt hơn và do đó ổn định trong thời gian dài hơn, đồng thời cung cấp mật độ dòng điện ấn tượng - nói cách khác là lượng dòng điện trên một đơn vị thể tích," Siyuan Zhu, một trong những tác giả của bài báo và là một nhà điện hóa học của Viện Hóa học Ứng dụng Trường Xuân tại Học viện Khoa học Trung Quốc, "và do đó, cho phép chúng tôi giữ lời hứa về tính nhỏ gọn của PEMFC."
Phương án chính đang được xem xét để giảm chi phí là "pha loãng" lượng bạch kim cần thiết làm chất xúc tác điện bằng cách hợp kim hóa nó với các kim loại khác rẻ hơn có thể hỗ trợ hoặc thậm chí tăng cường tính chất xúc tác của bạch kim.
Và các ứng cử viên chính để tạo hợp kim với bạch kim cho đến nay vẫn được gọi là kim loại chuyển tiếp muộn. Kim loại chuyển tiếp là những nguyên tố bạn tìm thấy ở giữa, hoặc khối d, của Bảng tuần hoàn. Sắt, mangan và crom là các kim loại chuyển tiếp ở giữa khối giữa đó, và các kim loại chuyển tiếp 'muộn', chẳng hạn như cadmium và kẽm, có thể được tìm thấy ở phía bên phải của nó.
Tuy nhiên, các kim loại chuyển tiếp muộn đã được chứng minh là không bị hòa tan trong môi trường PEMFC ăn mòn, khắc nghiệt. Điều này không chỉ dẫn đến sự giảm sút ổn định về hiệu suất, mà kim loại hòa tan còn phản ứng với các sản phẩm phụ của phản ứng khử oxy, gây ra thiệt hại không thể kiểm soát cho toàn bộ hệ thống.
Tuy nhiên, các kim loại chuyển tiếp ban đầu, những kim loại ở phía bên trái của khối giữa trong Bảng tuần hoàn như yttrium và scandium, ổn định hơn nhiều. Các tính toán lý thuyết đã cho thấy hợp kim của bạch kim và hai kim loại chuyển tiếp ban đầu này là ổn định nhất cho đến nay.
Trong số các kim loại chuyển tiếp ban đầu, một nhóm cho đến nay vẫn bị bỏ qua: các nguyên tố đất hiếm (REE). Bất chấp tên gọi, REE thực sự khá phổ biến trong vỏ Trái đất và chúng có thể đóng góp đáng kể vào hoạt động điện hóa của chất xúc tác. Vì vậy, vấn đề cho đến nay trong việc khám phá REE như là đối tác hợp kim có thể có cho bạch kim không phải đến từ chi phí, mà thay vào đó là độ dẫn điện và khả năng hòa tan kém của chúng trong môi trường axit. Về nguyên tắc, cả hai vấn đề này đều có thể được khắc phục bằng cách sử dụng các phương pháp tổng hợp để sản xuất hợp kim platin-REE, nhưng cho đến nay, có rất ít báo cáo về bất kỳ loại meth tổng hợp khả thi nào.
Vì vậy, các nhà nghiên cứu đã nghĩ ra một phương pháp để điều chế hợp kim giữa bạch kim và Lantan REE.
Kỹ thuật này chỉ bao gồm hai bước đơn giản. Đầu tiên, các nhà nghiên cứu thu được muối lantan và axit trimesic sẵn có, sau đó hai vật liệu tiền thân này tự lắp ráp thành "thanh" kích thước nano. Các thanh nano này sau đó được ngâm tẩm với bạch kim ở 900 ° C. Nhiệt độ rất cao này là cần thiết để đảm bảo quá trình hợp kim hóa hai kim loại diễn ra suôn sẻ.
Các hạt nano platin-lantan thu được sau đó được thử nghiệm căng thẳng về hiệu suất của chúng trong pin nhiên liệu. Chất xúc tác điện hợp kim đã vượt qua sự mong đợi của các nhà nghiên cứu, mang lại sự ổn định và hoạt động vượt trội ngay cả sau 30.000 chu kỳ pin nhiên liệu.
Với sự thành công của lantan làm đối tác hợp kim của bạch kim đã được chứng minh, các nhà nghiên cứu hiện muốn thử các nguyên tố đất hiếm khác để tạo hợp kim với bạch kim để xem liệu chúng có thể đánh bại hiệu suất điện xúc tác của lantan hay không.
