Chất liệu platin mới cho chế tạo pin nhiên liệu

(Hóa học ngày nay-H2N2)-Các nhà nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm Gia tốc quốc gia (SLAC) thuộc Bộ Năng lượng Hoa Kỳ và Đại học Houston đang phát triển chất liệu platin mới để tạo ra pin nhiên liệu giá thành rẻ, hiệu suất hoạt động cao.
Pin nhiên liệu là một tiềm năng phát triển năng lượng sạch quan trọng do sản phẩm phụ của pin chỉ là nước. Tuy nhiên, mỗi mẫu pin nhiên liệu hiện nay cần tới 100g platin để chế tạo, do đó giá thành của chúng không hề rẻ, lên tới vài nghìn đôla. Bằng cách hiệu chỉnh phản ứng của platin, các nhà nghiên cứu đã cắt giảm được 80% lượng platin cần thiết cho chế tạo 1 tấm pin nhiên liệu và đang tiếp tục nghiên cứu giảm thêm 10% nữa nhằm giảm thiểu tổng chi phí bỏ ra.

Giống như pin thường, pin nhiên liệu gồm một anốt (cực dương) nhường electron và một catốt (cực âm) thu lại các electron đó ở đầu kia của mạch điện. Điểm khác nhau giữa 2 loại pin là pin nhiên liệu sử dụng khí hydro và oxy để tạo phản ứng sản sinh ra năng lượng; oxy khi đi vào catốt sẽ bị tách thành các nguyên tử và kết hợp với hydro tạo thành nước.

Việc lựa chọn kim loại chế tạo catốt rất quan trọng vì một số kim loại không thể phá vỡ các nguyên tử oxy trong khi một số khác lại gắn kết với oxy quá chặt khiến phản ứng không xảy ra theo chiều đã định. Các nhà khoa học đã tìm kiếm “điểm cân bằng” hòan hảo, có khả năng phá vỡ một lượng lớn các liên kết của oxy và các nguyên tử oxy ít bị liên kết với chất xúc tác. Và họ đã đạt được sự cân bằng đó bằng cách sử dụng platin để làm anốt và catốt. Tuy nhiên, giá của kim loại này khiến cho giá của pin thành phẩm trở nên cao ngất ngưởng.

Năm 2005, một nhóm nghiên cứu tại Đại học Houston đã bắt tay nghiên cứu giải pháp platin bằng cách kích thích hoạt tính của kim loại này. Nhóm đã sử dụng một phương pháp gọi là hợp kim hóa (dealloying): kết hợp platin với các lượng đồng khác nhau để tạo ra hợp kim của đồng và platin rồi loại bỏ đồng trên bề mặt của hợp kim. Kết quả thử nghiệm các đặc tính liên kết của xúc tác hợp kim đồng – platin cho thấy độ hoạt hóa của hợp kim cao hơn hẳn so với ban đầu.

Nhóm nghiên cứu đã đặt mẫu hợp kim dưới chùm tia X cực sáng để nghiên cứu sự phân tán của tia và lập sơ đồ chi tiết cấu trúc của kim loại. Từ sơ đồ đó, nhóm đã phát hiện ra rằng độ hoạt hóa tăng lên là do sự thay đổi vị trí của các nguyên tử platin. Khi các nguyên tử platin trên bề mặt bị nén lại gần nhau sẽ khiến liên kết giữa chúng và nguyên tử oxy bị nới lỏng và dần đạt đến điểm cân bằng kỳ diệu giữa các phân tử phân ly và liên kết xúc tác.

Bước tiếp theo, nhóm nghiên cứu sẽ sử dụng chùm tia SSRL để có thể quan sát kỹ hơn phản ứng giữa oxy và platin và tìm cách thúc đẩy phản ứng diễn ra mạnh hơn, từ đó tạo ra các loại pin nhiên liệu không chỉ sử đụng được cho động cơ xăng mà còn cho các thiết bị điện tử nhỏ.

Theo ScienceDaily/Nasati