Các nhà nghiên cứu tại Trường Kỹ thuật Phân tử Pritzker thuộc Đại học Chicago (UChicago PME) và Trường Kỹ thuật Tandon thuộc Đại học New York đã có bước đột phá trong việc tìm hiểu cách nước vận chuyển các ion tích điện qua một thành phần quan trọng trong các công nghệ năng lượng sạch như pin nhiên liệu và pin dòng oxy hóa khử.
Kết hợp mô phỏng và dữ liệu thực nghiệm cho phép các nhà nghiên cứu của Khoa Kỹ thuật phân tử Pritzker thuộc Đại học Chicago (UChicago PME) xây dựng một bức tranh về cách các anion tích điện âm (màu vàng) và các cation tích điện dương (màu xanh) tương tác với các phân tử nước (màu đỏ và trắng) và xương sống polyme của màng trao đổi anion (màu xám). Tín dụng: Khoa Kỹ thuật phân tử Pritzker thuộc Đại học Chicago
Trong khi các nhà khoa học trước đây nghĩ rằng thành phần này, được gọi là màng trao đổi anion (AEM), cần có mức nước chảy tự do cao, có thể làm suy yếu cấu trúc của màng theo thời gian. Tuy nhiên, nghiên cứu mới cho thấy rằng vận chuyển ion nhanh không cần mức nước tự do cao.
Thay vào đó, AEM có thể được tối ưu hóa bằng cách chỉ sử dụng đủ nước để tạo ra mạng lưới các phân tử nước được kết nối tốt bên trong màng, đồng thời đảm bảo lớp vỏ nước động xung quanh các ion.
Nghiên cứu này được công bố trên tạp chí Nature Communications.
Giáo sư Paul Nealey thuộc UChicago PME, tác giả chính của bài báo mới, cho biết: "Nghiên cứu của chúng tôi thách thức quan niệm lâu nay cho rằng vận chuyển ion nhanh trong màng năng lượng đòi hỏi phải có nhiều nước tự do - trên thực tế, cấu trúc của mạng lưới nước mới là điều quan trọng, chứ không chỉ là lượng nước".
Cựu Giáo sư PME của UChicago Juan de Pablo, hiện làm việc tại Đại học New York và cũng là tác giả chính, cho biết: "Nghiên cứu này cung cấp cho chúng ta bản thiết kế ở cấp độ phân tử để tối ưu hóa màng năng lượng, đưa chúng ta tiến gần hơn đến các loại pin nhiên liệu hiệu quả hơn, pin tốt hơn và các giải pháp lưu trữ năng lượng bền vững hơn".
Tập trung vào dòng chảy của các ion
AEM là vật liệu mỏng, được thiết kế đặc biệt, được nhúng với các phân tử tích điện dương. Các phân tử tích điện dương này giúp thu hút và dẫn các ion tích điện âm—gọi là anion—qua màng trong khi đẩy các ion tích điện dương—gọi là cation. Các màng được sử dụng trong nhiều thiết bị điện hóa khác nhau, sử dụng sự chênh lệch điện tích do AEM tạo ra để cung cấp năng lượng cho các phản ứng khác (chẳng hạn như chuyển đổi năng lượng hóa học thành điện trong pin nhiên liệu hoặc phân tách nước để tạo ra nhiên liệu sạch trong máy điện phân nước).
Hiệu quả của AEM phụ thuộc vào mức độ các ion di chuyển qua chúng và các nhà khoa học biết rằng nước giúp ion chảy. Tuy nhiên, việc duy trì mức nước chảy tự do cao trong các thiết bị điện hóa sẽ hạn chế việc sử dụng chúng trong điều kiện độ ẩm thấp và có thể khiến cấu trúc của AEM bị phồng lên, giãn ra và yếu đi.
Trong nghiên cứu mới, các nhà nghiên cứu đã ghép dữ liệu thực nghiệm về hiệu quả AEM với mô phỏng máy tính về cách các phân tử trong hệ thống hoạt động để hiểu rõ hơn về vai trò của nước. Họ đã sử dụng quang phổ hồng ngoại hai chiều (2D IR) tiên tiến để nắm bắt động lực học nước nhanh.
Ge Sun, một sinh viên sau đại học ngành PME tại UChicago và là đồng tác giả đầu tiên, cho biết: "Bằng cách tích hợp các phương pháp tiếp cận này, chúng ta có thể mô hình hóa chính xác những gì xảy ra với các phân tử nước xung quanh AEM theo thang thời gian tính bằng pico giây".
Nhóm nghiên cứu phát hiện ra rằng các phân tử nước được hấp thụ vào AEM tạo ra một mạng lưới liên kết hydro bên trong cấu trúc của nó. Mạng lưới này, cũng như các lớp vỏ nước bao quanh các ion—thay vì nước tự do dư thừa—giúp các ion di chuyển hiệu quả. Với mức nước thấp nhất, cần có lượng năng lượng lớn để di chuyển các ion qua AEM vì mạng lưới hydro không hoàn chỉnh. Khi mức nước tăng lên và mạng lưới hydro trở nên có cấu trúc hơn, năng lượng cần thiết cho chuyển động của ion giảm đáng kể.
"Chúng tôi quan sát thấy rằng ngay cả khi không có lượng nước cao, chúng tôi vẫn thấy sự gia tăng độ dẫn ion và vận chuyển ion qua màng. Điều này xảy ra vì mạng lưới nước được hình thành tốt và các phân tử nước ở lớp thứ hai có thể nhanh chóng điều chỉnh hướng của chúng", Sun cho biết.
Tối ưu hóa công nghệ tương lai
Khi thiết kế AEM trong quá khứ, các kỹ sư đã mắc sai lầm khi sử dụng nhiều nước hơn mức cần thiết. Các kết quả mới cho thấy có một cách tốt hơn để tối ưu hóa mức nước trong các thiết bị điện hóa sử dụng các màng này.
"Bằng cách khám phá cách các phân tử nước sắp xếp bên trong những màng này, chúng ta có thể thiết kế các vật liệu thế hệ tiếp theo hoạt động hiệu quả ngay cả trong môi trường có độ ẩm thấp, giúp các công nghệ năng lượng sạch trở nên thiết thực và bền vững hơn", Phó giáo sư Shrayesh Patel, đồng tác giả của nghiên cứu, cho biết.
Một tiến bộ quan trọng của công trình này là dựa vào IR 2D, kết hợp với các mô hình phân tử tinh vi, để làm sáng tỏ các chi tiết tinh tế của động lực học nước trong các hệ thống này. Sự kết hợp mới giữa dữ liệu thực nghiệm và mô phỏng được sử dụng trong nghiên cứu này cung cấp một khuôn khổ mạnh mẽ có thể được áp dụng cho nhiều thách thức khoa học khác liên quan đến việc hiểu các chuyển động phân tử.
Mời các đối tác xem hoạt động của Công ty TNHH Pacific Group.
FanPage: https://www.facebook.com/Pacific-Group
YouTube: https://www.youtube.com/@PacificGroupCoLt
