Pin nhiêu liệu ngày càng trở nên quan trọng trước sự phát triển của các phương tiện chạy bằng điện. Để hoạt động hiệu quả, nó cần một chất xúc tác để cải thiện phản ứng điện hóa. Chất xúc tác tiêu chuẩn hiện nay phải có bề mặt được phủ các hạt platin-coban kích cỡ nano và được cố định bằng vật liệu mang carbon dẫn điện. Do các hạt nhỏ và vật liệu mang carbon dễ bị ăn mòn, pin nhiên liệu sẽ mất dần tính ổn định và hiệu quả theo thời gian.
Để giải quyết vấn đề này, nhóm nghiên cứu quốc tế do Giáo sư Matthias Arenz từ Khoa Hóa học và Hóa sinh (DCB) tại Đại học Bern của Thụy Sĩ dẫn đầu đã phát triển thành công một quy trình đặc biệt cho phép sản xuất chất xúc tác không cần đến vật liệu mang carbon, giúp cải thiện độ bền của pin.
"Chất xúc tác mà chúng tôi phát triển đạt hiệu suất tốt và cho phép pin nhiên liệu hoạt động ổn định ngay cả trong điều kiện nhiệt độ và mật độ dòng điện cao", Arenz chia sẻ trong bài đăng trên tạp chí Nature Materials.
Bên cạnh DCB, nghiên cứu còn có sự tham gia của Đại học Copenhagen của Đan Mạch, Viện Nghiên cứu Khoa học và Công nghệ Plasma Leibniz của Đức và Viện Paul Scherrer của Thụy Sĩ.
Chất xúc tác mới không cần đến vật liệu mang carbon. Ảnh: Phys.
Trong pin nhiên liệu, các nguyên tử hydro được tách ra để sản sinh năng lượng điện trực tiếp. Với mục đích này, hydro được đưa đến một điện cực (cực dương), nơi nó được tách thành các proton mang điện tích dương và electron mang điện tích âm.
Các electron đi từ cực dương qua mạch điện bên ngoài về cực âm, tạo ra dòng điện. Trong khi đó, các hạt proton di chuyển trong chất điện phân, đi xuyên qua một màng thấm về cực âm - nơi được phủ chất xúc tác chứa hợp kim platin-coban - để phản ứng với oxy trong không khí, tạo thành hơi nước. Hơi nước cuối cùng được thải ra ngoài qua ống xả.
Tuy nhiên, các hạt nano platin-coban này có thể tan chảy trong quá trình vận hành phương tiện. Vật liệu mang carbon dùng để cố định chất xúc tác cũng bị ăn mòn theo thời gian. Điều này làm giảm bề mặt tiếp xúc của chất xúc tác và ảnh hưởng đến tuổi thọ của pin nhiên liệu.
Với kỹ thuật mới được gọi là phún xạ cathode (kỹ thuật chế tạo màng mỏng dựa trên nguyên lý truyền động năng), phần tử coban được hòa tan bằng cách bắn phá ion. Nguyên tử khí được phải phóng trong quá trình này sẽ ngưng tụ lại tạo thành một lớp kết dính rất xốp. Lớp này vừa làm tăng diện tích bề mặt tiếp xúc, vừa hỗ trợ cố định chất xúc tác. Do đó, sự hiện diện của vật liệu mang carbon không còn cần thiết, nhóm nghiên cứu giải thích.
"Công nghệ này có thể mở rộng từ quy mô thí nghiệm lên quy mô công nghiệp nên rất hứa hẹn trong sản xuất xe điện. Chất xúc tác mới cho phép pin nhiên liệu hydro được tối ưu hóa để sử dụng trong giao thông đường bộ. Nghiên cứu của chúng tôi có tầm quan trọng đối với việc sử dụng năng lượng bền vững, đặc biệt là trong bối cảnh các phương tiện chở hàng hạng nặng phát triển như hiện nay", Arenz nhấn mạnh.
Đoàn Dương (Theo Science Daily)