Tiến bộ pin nhiên liệu hydro vượt quá các mục tiêu DOE đặt ra về hiệu suất và độ bền của pin nhiên liệu
Hợp kim bọc graphene của các tác giả đã mang lại kết quả phi thường: hoạt tính xúc tác cao gấp 75 lần hoạt tính xúc tác cao hơn 65% ở cuối vòng đời dự kiến của pin nhiên liệu, giảm 35% điện năng mất mát sau khi thử nghiệm mô phỏng 6.000 đến 7.000 giờ sử dụng, lần đầu tiên đánh thắng mục tiêu 5.000 giờ. Ảnh: Huang Group UCLA
Động cơ đốt trong đóng vai trò quan trọng đối với sự tiến bộ của xã hội, nó cũng là nhân tố chính gây ra ô nhiễm làm tổn hại sức khỏe con người và lượng khí thải carbon góp phần thúc đẩy khủng hoảng khí hậu. Gần 30% lượng khí thải carbon của Hoa Kỳ đến từ giao thông vận tải và 95% phương tiện giao thông sử dụng nhiên liệu hóa thạch.
Một yếu tố của phương pháp khắc phục tiềm năng là cung cấp năng lượng cho xe bằng pin nhiên liệu hydro, loại pin chỉ thải ra hơi nước. Tuy nhiên, giải pháp bền vững này có một khía cạnh mỉa mai, tích hợp sẵn đó là không bền vững: Các chất xúc tác cần thiết để hút năng lượng từ hydro liên quan đến các kim loại hiếm và đắt tiền như bạch kim. Với số lượng được sử dụng cho công nghệ ngày nay, việc áp dụng rộng rãi sẽ đòi hỏi số lượng các kim loại này vượt quá những gì loài người có thể cung cấp.
Một nghiên cứu gần đây trên tạp chí Nature Nanotechnology do một giáo sư của UCLA dẫn đầu có thể đại diện cho một bước ngoặt. Các nhà nghiên cứu đã báo cáo về một cách tiếp cận cho phép họ đáp ứng — và đánh bại — các mục tiêu đầy tham vọng về hiệu suất chất xúc tác cao, độ ổn định cao và sử dụng ít bạch kim do Bộ Năng lượng đặt ra. Công nghệ phá kỷ lục của họ sử dụng các tinh thể cực nhỏ của hợp kim platin-coban, mỗi tinh thể được nhúng trong một ống khóa nano làm bằng graphene, được mô tả là vật liệu hai chiều vì nó bao gồm một lớp carbon dày một nguyên tử.
So với các tiêu chuẩn DOE nghiêm ngặt cho chất xúc tác - chưa được đáp ứng cho đến nay - hợp kim bọc graphene của các tác giả đã mang lại kết quả phi thường:
Hoạt tính xúc tác gấp 75 lần
Thêm 65% sức mạnh
hoạt động xúc tác tăng thêm khoảng 20% vào cuối tuổi thọ dự kiến của pin nhiên liệu
Mất điện ít hơn khoảng 35% sau khi thử nghiệm mô phỏng 6.000 đến 7.000 giờ sử dụng, đánh bại mục tiêu 5.000 giờ lần đầu tiên
giảm gần 40% bạch kim trên mỗi xe
“Điều này chưa từng được thực hiện trước đây,” tác giả Yu Huang, giáo sư và chủ nhiệm Khoa Khoa học và Kỹ thuật Vật liệu tại Trường Kỹ thuật UCLA Samueli, và là thành viên của Viện California NanoSystems tại UCLA cho biết. "Khám phá này liên quan đến một số tình cờ. Chúng tôi biết rằng chúng tôi đang nghiên cứu thứ gì đó có thể làm cho các hạt nhỏ hơn ổn định, nhưng chúng tôi không mong đợi nó hoạt động tốt như vậy."
Ngày nay, một nửa tổng nguồn cung bạch kim và các kim loại tương tự trên toàn cầu được sử dụng cho các bộ chuyển đổi xúc tác trong các phương tiện chạy bằng nhiên liệu hóa thạch, một thành phần làm cho khí thải của chúng ít độc hại hơn. Một số nơi cần từ 2 đến 8 gam bạch kim cho mỗi chiếc xe. Để so sánh, công nghệ pin nhiên liệu hydro hiện tại sử dụng khoảng 36 gram cho mỗi chiếc xe.
Ở tải lượng bạch kim thấp nhất mà Huang và nhóm của cô thử nghiệm, mỗi chiếc xe chạy bằng hydro sẽ chỉ cần 6,8 gam bạch kim.
Vậy làm cách nào để các nhà nghiên cứu khai thác được nhiều điện năng hơn từ lượng bạch kim ít hơn? Họ đã phá vỡ chất xúc tác dựa trên bạch kim thành các hạt dài trung bình 3 nanomet. Một nanomet là một phần tỷ của mét, và các hạt nano nhỏ đến mức phải mất hơn 30.000 lần đặt từ đầu đến cuối để kéo dài độ dày của một tờ giấy. Các hạt nhỏ hơn có nghĩa là nhiều diện tích bề mặt hơn, và nhiều diện tích bề mặt hơn có nghĩa là nhiều bất động sản hơn nơi hoạt động xúc tác có thể xảy ra.
Tuy nhiên, có một điểm khó khăn đã cản trở những nỗ lực trước đây nhằm đạt được hiệu suất tốt hơn bằng cách sử dụng chất xúc tác pin nhiên liệu hydro. Về bản chất, các hạt nhỏ hơn cũng kém bền hơn, bởi vì chúng có xu hướng tách khỏi bề mặt hoặc tụ lại với nhau thành các hạt lớn hơn.
Huang và các đồng nghiệp của cô đã giải quyết hạn chế này bằng cách bố trí các hạt xúc tác của họ trong graphene vật liệu 2D. So với cacbon dạng khối thường thấy trong than đá hoặc chì bút chì, những lớp cacbon mỏng như vậy có khả năng đáng ngạc nhiên, dẫn điện và nhiệt hiệu quả và thể hiện độ bền gấp 100 lần thép ở độ dày tương tự.
Hợp kim platin-coban của họ bị khử thành các hạt. Trước khi được tích hợp vào pin nhiên liệu, các hạt được bao quanh bởi các ống nano graphene, hoạt động như một loại mỏ neo để giữ cho các hạt không di chuyển — cần thiết cho mức độ bền cần thiết của các phương tiện thương mại. Đồng thời, graphene cho phép tạo ra một khoảng trống nhỏ, khoảng 1 nanomet, xung quanh mỗi hạt nano xúc tác, điều này có nghĩa là các phản ứng điện hóa quan trọng có thể xảy ra.
"Đó là một loại trực quan," Huang nói. "Nếu bạn đặt một nắp lên hạt để cho phép phản ứng tiếp tục nhưng lại giam giữ hạt ở nơi đó, nó sẽ giải quyết được vấn đề về độ bền, tuy nhiên rất khó để đạt được ở quy mô nhỏ như vậy."
Tiến bộ mới nhất này theo sau một nghiên cứu hợp tác gần đây do Huang dẫn đầu đã tạo ra một mô hình để dự đoán hoạt chất xúc tác độ bền và độ bền của hợp kim dựa trên bạch kim có thể được sử dụng để hướng dẫn thiết kế chất xúc tác — chất xúc tác đầu tiên thuộc loại này. Cô và nhóm của mình đang làm việc để chuyển các kết quả thử nghiệm của họ thành công nghệ thực tế có thể được đưa ra thị trường và hy vọng sẽ bổ sung vào các nỗ lực bền vững và năng lượng xanh.
