Sản xuất dễ dàng và có thể mở rộng chất xúc tác nano tế bào nhiên liệu cho nền kinh tế hydro

Sản xuất dễ dàng và có thể mở rộng chất xúc tác nano tế bào nhiên liệu cho nền kinh tế hydro

    Sản xuất dễ dàng và có thể mở rộng chất xúc tác nano tế bào nhiên liệu cho nền kinh tế hydro
    bởi Viện Khoa học Cơ bản

    Facile and scalable production of a fuel-cell nanocatalyst for the hydrogen economy
    Hình ảnh hiển vi (STEM và TEM) của chất xúc tác đã phát triển và hiệu suất năng lượng PEMFC của nó. So với các chất xúc tác pin nhiên liệu tiên tiến nhất, chất xúc tác do nhóm CNR-IBS phát triển cho thấy hiệu suất năng lượng gần gấp đôi trên mỗi lần sử dụng bạch kim. Ảnh: Viện Khoa học cơ bản


    Pin nhiên liệu là một máy phát điện có khả năng sản xuất điện từ khí hydro trong khi chỉ thải ra nước dưới dạng chất thải. Người ta hy vọng rằng hệ thống năng lượng sạch hiệu quả cao này sẽ đóng một vai trò quan trọng trong việc áp dụng nền kinh tế hydro, thay thế động cơ đốt trong và pin trong ô tô và xe tải, cũng như các nhà máy điện.

    Tuy nhiên, giá thành của bạch kim, có thể lên tới ~30.000 USD/kg, là một hạn chế lớn, khiến các chất xúc tác pin nhiên liệu rất đắt đỏ. Các phương pháp sản xuất chất xúc tác hiệu suất cao cũng rất phức tạp và phần lớn bị hạn chế. Theo đó, việc phát triển một phương pháp sản xuất dễ dàng và có thể mở rộng cho các chất xúc tác pin nhiên liệu dựa trên bạch kim là một thách thức cấp bách, cùng với việc nâng cao hiệu suất và độ ổn định của xúc tác trong khi sử dụng một lượng bạch kim tối thiểu.

    Để giải quyết vấn đề này, một nhóm nghiên cứu do Giáo sư Sung Yung-Eun và Giáo sư Hyeon Taeghwan tại Trung tâm Nghiên cứu Hạt nano (CNR) thuộc Viện Khoa học Cơ bản (IBS), Hàn Quốc đứng đầu đã tìm ra một phương pháp mới để sản xuất của các chất xúc tác nano.

    Các nhà nghiên cứu đã chứng minh rằng các hạt nano hợp kim coban-bạch kim (Co-Pt) có kích thước đồng đều này có thể được tạo ra bằng cách xử lý nhiệt đơn giản. Phương pháp này kết hợp các tính năng dễ tổng hợp của phương pháp ngâm tẩm, cùng với khả năng kiểm soát chính xác đối với kích thước và hình dạng của các tinh thể nano tương tự như phương pháp keo.

    Chất xúc tác nano hợp kim Co-Pt mới do nhóm CNR-IBS phát triển bao gồm hai phức kim loại tích điện trái dấu, cụ thể là các ion Co và Pt được bao quanh bởi các phối tử bipyridine và clo, tương ứng.

    Nhóm nghiên cứu đã đưa ra giả thuyết rằng một phương pháp xử lý nhiệt đơn giản sẽ khiến phối tử bipyridine phân hủy nhiệt thành lớp vỏ carbon có thể bảo vệ các hạt nano hợp kim Co-Pt đang phát triển. Sau khi tối ưu hóa điều kiện xử lý nhiệt, họ đã thành công trong việc thu được chất xúc tác nano có độ đồng nhất cao với các hạt nano có kích thước chỉ 3-4 nanomet.


    Sơ đồ minh họa quá trình tăng trưởng của chất xúc tác nano hợp kim Co-Pt. Xử lý nhiệt đơn giản ở 900 °C có thể tạo ra các hạt nano Co-Pt được sắp xếp theo thứ tự nguyên tử trên giá đỡ carbon. Tín dụng: Viện Khoa học cơ bản
    Trong chất xúc tác nano do nhóm phát triển, các nguyên tử Co và Pt được sắp xếp theo cách đều đặn được gọi là "pha liên kim loại", trong đó các nguyên tử Co không ổn định được ổn định bởi các nguyên tử Pt xung quanh. Ngoài ra, khi nitơ được pha tạp một cách hiệu quả vào giá đỡ cacbon, các ionomer (chất dẫn proton) được phân tán đồng nhất trên toàn bộ lớp chất xúc tác trong pin nhiên liệu, điều này tạo điều kiện thuận lợi hơn cho việc cung cấp khí oxy lên bề mặt của chất xúc tác nano Co-Pt.

    Các đặc điểm cấu trúc này đã bổ sung vào hiệu suất năng lượng được tăng cường nhiều trong pin nhiên liệu màng trao đổi proton, thể hiện công suất định mức riêng cao là 5,9 kW/gPt, tức là gấp khoảng hai lần so với hiệu suất hiện tại trong một phương tiện hydro thương mại. Chất xúc tác do nhóm sản xuất đã đạt được hầu hết các mục tiêu đến năm 2025 do Bộ Năng lượng Mỹ (DOE) đặt ra với mục tiêu giúp pin nhiên liệu hoạt động ổn định lâu dài.

    Nhóm CNR-IBS tin tưởng mạnh mẽ rằng nghiên cứu này sẽ kích thích sự phát triển của các chất xúc tác tế bào nhiên liệu thế hệ tiếp theo. Những phát hiện này cũng sẽ góp phần cải thiện hiệu suất xúc tác và độ bền của chất xúc tác nano hợp kim cho nhiều ứng dụng xúc tác điện khác.

    Giáo sư Hyeon cho biết: "Thiết kế một hợp chất lưỡng kim mới làm vật liệu tiền chất là điểm khởi đầu quan trọng trong nghiên cứu này. Chúng tôi đã phát triển một công nghệ nền tảng để sản xuất một dạng chất xúc tác nano hợp kim phức tạp thông qua một phương pháp đơn giản và có thể mở rộng, và cuối cùng đã đạt được một hiệu suất năng lượng pin nhiên liệu nâng cao với lượng bạch kim sử dụng ít hơn."

    Giáo sư Sung cho biết: "Nghiên cứu này đã đạt được hiệu suất pin nhiên liệu đẳng cấp thế giới, vượt qua hầu hết các mục tiêu năm 2025 của DOE Hoa Kỳ bằng cách giảm lượng bạch kim có thể đóng góp tới khoảng 40% chi phí nhiên liệu tế bào." Ông nói thêm: "Chúng tôi hy vọng rằng nghiên cứu này, cùng với một số nghiên cứu tiếp theo, sẽ tác động lớn đến sự phát triển của ngành công nghiệp phương tiện chạy bằng hydro và hiện thực hóa nền kinh tế hydro trong tương lai gần."

    Nghiên cứu được công bố trên tạp chí Khoa học Năng lượng & Môi trường.

    Zalo
    Hotline