Polyme cứng bất ngờ cải thiện vận chuyển ion trong màng pin nhiên liệu hydro
Ngày 12 tháng 9 năm 2026
Annie Nguyễn
Pin nhiên liệu hydro là một công nghệ năng lượng sạch đầy hứa hẹn với tiềm năng giảm ô nhiễm và phát thải khí nhà kính nếu được áp dụng rộng rãi. Khi tạo ra điện, sản phẩm phụ duy nhất của các phản ứng là nước. Tuy nhiên, việc cải thiện hiệu suất của chúng phụ thuộc vào việc phát triển các vật liệu tốt hơn có thể vận chuyển ion hiệu quả hơn.
Trong một nghiên cứu gần đây, các nhà nghiên cứu tại Viện Công nghệ Stevens đã hợp tác với các học giả từ các tổ chức khác để thử nghiệm một số vật liệu polyme mới và xác định đặc điểm nào cải thiện hiệu suất. Nhóm đã công bố kết quả trên tạp chí Macromolecules.
Sự đánh đổi của màng
Một pin nhiên liệu gồm ba phần chính: cực dương (điện cực âm), cực âm (điện cực dương) và một màng dẫn ion ở giữa. Năng lượng điện được tạo ra khi các ion chảy qua màng giữa các điện cực và khí hydro và oxy phản ứng để tạo thành nước, theo Phó Giáo sư Benjamin Paren, người nghiên cứu pin nhiên liệu tại Khoa Kỹ thuật Hóa học và Khoa học Vật liệu của Viện Công nghệ Stevens.
Công nghệ pin nhiên liệu hiện có chủ yếu dựa vào màng trao đổi proton, đòi hỏi chất xúc tác đắt tiền để duy trì các phản ứng hóa học.
"Pin nhiên liệu màng trao đổi proton sử dụng kim loại nhóm bạch kim," Paren giải thích. "Đó là những nguyên tố hiếm. Chúng đắt tiền. Việc khai thác chúng có thể gây hại cho môi trường, và vì vậy có nhiều bất lợi về kinh tế."
Một giải pháp thay thế là sử dụng màng trao đổi anion, trong đó các phản ứng tại điện cực có thể được thực hiện với các chất xúc tác phổ biến hơn và ít tốn kém hơn, như chất xúc tác dựa trên sắt hoặc niken. Một nhược điểm là màng trao đổi anion không hiệu quả bằng màng trao đổi proton trong việc vận chuyển ion.
"Các màng trao đổi anion hấp dẫn từ quan điểm bền vững," Paren giải thích. "Nhưng hiệu suất chưa đạt đến mức chúng ta có được từ pin nhiên liệu màng trao đổi proton." Để cải thiện hiệu suất, các nhà nghiên cứu phải hiểu rõ hơn về cấu trúc của các polyme làm nên màng — và tối ưu hóa cấu trúc của chúng.
Khi độ cứng giúp ích
Để đạt tiến bộ hướng tới các màng trao đổi anion tốt hơn, Paren đã làm việc với một nhóm liên tổ chức do Giáo sư Hóa học Chulsung Bae tại Viện Bách khoa Rensselaer dẫn đầu, một chuyên gia trong việc tổng hợp các màng polyme như vậy. Phòng thí nghiệm của Bae đã cung cấp các polyme hiện có và mới được tổng hợp để nhóm của Paren có thể phân tích cấu trúc của chúng.
Hiệu suất của màng phụ thuộc vào tốc độ ion di chuyển qua nó, chịu ảnh hưởng bởi cấu trúc polyme của màng. Các polyme cứng hơn thường có thể hạn chế hiệu suất, trong khi các polyme linh hoạt hơn điều chỉnh và tạo ra các kênh đồng đều hơn mà qua đó ion chảy nhanh hơn.
"Ý tưởng là một polyme linh hoạt hơn có thể tự sắp xếp lại để tạo thành các kênh dễ dàng hơn," Paren nói.
Nhưng nhóm của ông đã gặp bất ngờ. Khi đo hiệu suất của các polyme khác nhau, các nhà khoa học phát hiện rằng điều này không phải lúc nào cũng đúng. Một số polyme có khung phân tử khá cứng — không phải những loại linh hoạt nhất như các nhà khoa học mong đợi — lại tạo ra các kênh được xác định rõ nhất khi chúng được ngâm trong nước.
Các polyme có kênh chứa nước được tổ chức tốt nhất cho phép ion di chuyển nhanh và hiệu quả qua vật liệu.
"Điều chúng tôi phát hiện là một số polyme thực sự cứng hơn khi khô lại tạo thành các kênh tốt hơn khi được ngậm nước," Paren giải thích. "Vì vậy, nước có thể cho phép các ion sắp xếp theo cách thuận lợi hơn."
Phát hiện này cho thấy hiệu suất của vật liệu có thể thay đổi đáng kể trong điều kiện vận hành thực tế và nhấn mạnh tầm quan trọng của việc đánh giá màng ở trạng thái ngậm nước, đang hoạt động thay vì chỉ khi chúng khô.
Hàm ý ngoài pin nhiên liệu
Pin nhiên liệu hydro mang lại lợi thế lớn từ quan điểm năng lượng sạch. Năng lượng từ mặt trời hoặc gió có thể được sử dụng để sản xuất hydro thông qua một thiết bị gọi là máy điện phân, thiết bị tách các phân tử nước thành hydro và oxy.
Hydro tạo thành sau đó có thể được lưu trữ trong các bồn chuyên dụng cho đến khi cần và sau đó được chuyển đổi trở lại thành điện bằng pin nhiên liệu, Paren giải thích. Máy điện phân cũng dựa vào màng hiệu quả, vì vậy công trình của Paren quan trọng cho cả hai loại công nghệ.
"Về cơ bản, những gì chúng tôi đang làm là tạo ra một con đường hướng tới năng lượng có giá cả phải chăng và bền vững hơn," Paren nói.
Thông tin thêm
Ramali Chandula Walgama et al, Nghiên cứu mối quan hệ giữa cấu trúc vòng thơm, hình thái cấu trúc nano và hiệu suất pin nhiên liệu của màng trao đổi anion, Macromolecules (2026). DOI: 10.1021/acs.macromol.6c00728
#Hydrogen #FuelCell #AnionExchangeMembrane #Polymers #CleanEnergy #MaterialsScience #H2
