MỸ – Việc các trung tâm dữ liệu mới đang được đề xuất và xây dựng trên khắp thế giới đã làm gia tăng nhu cầu về năng lượng để vận hành và làm mát.

Một nhóm nghiên cứu do ông Gang Wu dẫn đầu, Giáo sư danh dự Elvera and William R. Stuckenberg tại trường kỹ thuật McKelvey thuộc đại học Washington university in St. Louis, đã đạt được những bước tiến quan trọng trong việc tạo ra loại pin nhiên liệu (fuel cell) (*) nhiệt độ thấp cải tiến. Phát minh này có thể giúp năng lượng tái tạo giảm bớt gánh nặng lên lưới điện quốc gia hoặc giảm lượng nhiên liệu dùng cho giao thông vận tải. Các đơn vị hợp tác nghiên cứu bao gồm các nhóm đến từ phòng thí nghiệm quốc gia Brookhaven (Brookhaven national laboratory), phòng thí nghiệm quốc gia Lawrence Berkeley (Lawrence Berkeley national laboratory), đại học Northeastern (Northeastern university) và đại học Pittsburgh (university of Pittsburgh).
(*) Fuel cell (*): là thiết bị điện hóa chuyển đổi trực tiếp năng lượng hóa học của nhiên liệu thành điện năng thông qua phản ứng điện hóa thay vì đốt cháy nhiên liệu. 

Kết quả nghiên cứu của họ đã được công bố trên tạp chí Nature Nanotechnology.

Giáo sư Wu chia sẻ: “Nếu một trung tâm dữ liệu có thể tự cung cấp điện bằng cách sử dụng pin nhiên liệu, nó sẽ chuyển đổi trực tiếp hydro và các loại nhiên liệu khác thành điện năng, từ đó giảm tải áp lực cho lưới điện.”

Các pin nhiên liệu kết hợp hydro và oxy một cách hiệu quả để tạo ra điện, nước và nhiệt nhờ vào chất xúc tác giúp tăng tốc quá trình, giảm tổn thất năng lượng, đồng thời nâng cao hiệu suất tổng thể cùng độ bền lâu dài. Vấn đề hiện nay là chế tạo các chất xúc tác cho pin nhiên liệu đáp ứng đủ hoạt tính và độ bền cần thiết để đạt hiệu suất mục tiêu.

Bạch kim (platinum), một kim loại quý, là chất xúc tác tối ưu nhất. Mục tiêu đặt ra là sử dụng càng ít bạch kim càng tốt nhưng vẫn đảm bảo đủ hiệu suất xúc tác trong quá trình chuyển đổi và lưu trữ năng lượng. Việc chuyển đổi bạch kim khối thành các hạt nano làm tăng đáng kể diện tích bề mặt tiếp xúc, cho phép dùng một lượng rất nhỏ, thường ít hơn một phần tư miligam trên mỗi centimet vuông. Tuy nhiên, các hạt nano này lại dễ bị hòa tan, di chuyển và kết tụ lại với nhau trong quá trình pin nhiên liệu vận hành, dẫn đến giảm dần hiệu suất theo thời gian.

Các chất xúc tác hợp kim liên kim loại bạch kim (platinum intermetallic) (1) mới đã cho thấy triển vọng trong việc cải thiện hoạt tính và độ ổn định so với các hợp kim bạch kim truyền thống. Để duy trì hình thái hạt nano phân tán tốt và tối đa hóa khả năng khai thác bạch kim, hầu hết chúng được tổng hợp bằng phương pháp nung ở nhiệt độ dưới 700°C. Tuy nhiên, mức nhiệt này chưa đủ cao để kích hoạt hoàn toàn quá trình chuyển pha trật tự – mất trật tự (order-disorder transition) (2), một giai đoạn quan trọng để nâng cao tính ổn định và hoạt tính của chất xúc tác liên kim loại. Do đó, theo phương pháp truyền thống, sẽ xảy ra tình trạng đánh đổi giữa hai tính chất của chất xúc tác: khi tăng tính ổn định thì giảm hoạt tính và ngược lại.
(1) Platinum intermetallic: là hợp chất được tạo thành từ platinum (bạch kim – Pt) kết hợp với một hoặc nhiều kim loại chuyển tiếp khác (như coban – Co, niken – Ni, sắt – Fe, …), nhưng có cấu trúc tinh thể được sắp xếp theo một trật tự nguyên tử xác định.
(2) Order-disorder transition: là quá trình các nguyên tử di chuyển từ trạng thái phân bố hỗn loạn (disordered alloy) sang trạng thái được sắp xếp vào đúng vị trí hình học cố định, chặt chẽ trong mạng tinh thể (ordered intermetallic).

Giáo sư Wu cùng các cộng sự đã giải quyết tình trạng đánh đổi trên để chất xúc tác đạt được cả hai tính chất bằng cách phát triển một cấu trúc nano carbon mới đóng vai trò như giá đỡ. Cấu trúc này gồm các hình cầu carbon rỗng, xốp có mô hình hướng tâm được sắp xếp trật tự, cùng độ xốp và diện tích bề mặt lớn. Cấu trúc carbon độc đáo này có thể tập hợp các hạt nano liên kim loại bạch kim – coban với mật độ cao và phân tán đều, từ đó cho phép hình thành cấu trúc liên kim loại cần thiết ở nhiệt độ cao mong muốn mà vẫn giữ được sự phân tán đồng đều của các hạt nano. Phương pháp mới của họ đã giải quyết vấn đề giữa mức độ sắp xếp trật tự của các nguyên tử trong pha liên kim loại và độ đồng đều khi phân tán của các hạt nano mịn.

Giáo sư Wu nói rằng: “Kế hoạch của nhóm nghiên cứu là sử dụng giá đỡ cấu trúc nano carbon mới này để tổng hợp các hạt nano liên kim loại bạch kim – coban nhằm giảm hàm lượng kim loại quý, đồng thời tăng cường hoạt tính và độ ổn định. Theo phương pháp truyền thống, luôn có sự đánh đổi giữa kích thước hạt và độ ổn định. Nhưng với cấu trúc nano carbon mới, các hạt nano bạch kim – coban có thể được cố định và giữ ổn định ở kích thước rất nhỏ ngay cả ở nhiệt độ cao.”

Khi các nhà nghiên cứu tổng hợp một hạt kích thước lớn hơn, họ phải đánh đổi hoạt tính lấy độ ổn định; ngược lại, những nỗ lực tập trung vào độ ổn định lại phải đánh đổi hoạt tính. Nhóm của Giáo sư Wu đã phát triển cấu trúc nano carbon sáng tạo với các giá đỡ nhỏ bố trí theo mô hình hướng tâm, đồng thời kiểm soát thể tích và kích thước lỗ xốp. Chất xúc tác này giữ được 85% hiệu suất sau 150.000 chu kỳ điện áp phức tạp (tương đương 25.000 giờ vận hành) và giải quyết được vấn đề đánh đổi giữa hoạt tính và độ ổn định nhờ có các lỗ xốp lớn hơn, kích thước lỗ xốp được tổ chức tốt và diện tích bề mặt cao.

Giáo sư Wu giải thích thêm: “Nhờ có cấu trúc nano carbon đặc biệt này, nhóm có thể nung nóng chất xúc tác bạch kim – coban đến 1.000°C, mức nhiệt đủ cao để tạo ra cấu trúc trật tự mà vẫn giữ các hạt nano nhỏ hơn 5 nanomet và phân tán tốt, ngay cả khi chứa hàm lượng bạch kim cao theo tiêu chuẩn công nghiệp.”

Giáo sư Wu nói tiếp: “Cấu trúc giá đỡ cũng giúp vật liệu chứa ion (như ionomer) trải đều hơn, giúp các proton, oxy và nước di chuyển dễ dàng hơn qua điện cực. Kết quả, các hạt nano bạch kim – coban tích hợp trên cấu trúc giá đỡ này đã mang lại hiệu suất hàng đầu và độ bền lâu dài. Cuối cùng, thông qua phát triển sâu hơn và hợp tác với các đối tác công nghiệp, nhóm sẽ có thể giải quyết các vấn đề còn lại của chất xúc tác và thúc đẩy mạnh mẽ các công nghệ pin nhiên liệu để cung cấp năng lượng cho tương lai một cách hiệu quả và bền vững hơn.”

Để xem các tin bài khác về “Pin nhiên liệu”, hãy nhấn vào đây.

 

Nguồn: Electronics Online