Dự án vật liệu nano của Đại học Quốc gia Việt Nam Thành phố Hồ Chí Minh giúp cho pin nhiên liệu bền hơn và đạt hiệu quả cao khi áp dụng ở pin dành cho thiết bị di động và xe điện.
TS. Nguyễn Văn Mỷ tại Trung tâm Nghiên cứu Vật liệu Cấu trúc Nano và phân tử - Ảnh: english.vietnamnet.vn
Cả thế giới đang chạy đua để tìm ra nguồn năng lượng tốt hơn, “sạch” hơn và bền hơn. Đối với pin nhiên liệu, công suất sử dụng càng cao và càng bền thì càng tốt.
Thế giới đang có xu hướng chuyển sang sử dụng ô tô điện, đáng chú ý nhất là kế hoạch sử dụng ô tô để vận chuyển các vận động viên trong Thế vận hội 2020 của Nhật Bản. Vì vậy, nhu cầu cải thiện pin nhiên liệu cho những thiết bị này ngày càng cao nhằm lưu trữ và vận chuyển năng lượng nhanh chóng và quan trọng là chúng có nguồn gốc tốt.
TS. Nguyễn Văn Mỷ - nhà nghiên cứu tại Trung tâm Nghiên cứu Vật liệu Cấu trúc Nano và phân tử đã có giải pháp cho vấn đề này thông qua dự án có tên "Vật liệu nano thế hệ mới - Sản xuất và ứng dụng trong pin nhiên liệu cho động cơ di động trong tương lai".
Theo ông Mỷ, việc phát triển vật liệu để tạo màng trao đổi proton có khả năng hoạt động trong điều kiện vật lý đang được nghiên cứu sâu.
Vật liệu truyền thống được sử dụng cho các màng này là perfluorosulfonic polymer (PFSA) hoặc Nafion ngậm nước hoàn toàn, có thể truyền proton ở khoảng 1 x 10-1 S cm-1 ở 800 độ C. Tuy nhiên, độ ẩm tương đối của chúng (RH) phải cao hơn 98%.
Ở tốc độ hiện tại, chỉ một biến động nhỏ về nhiệt độ có thể khiến nước ngưng tụ, dẫn đến hiệu suất pin nhiên liệu thấp hơn và chi phí cao hơn để duy trì độ ẩm lý tưởng.
Ngoài ra, pin nhiên liệu hydro cần hoạt động tốt ở nhiệt độ cao để giảm ngộ độc CO cho các điện cực dựa trên Pt. Tuy nhiên, ở nhiệt độ cao hơn 800 độ C, cấu trúc Nafion không ổn định (do giãn nở vật lý), dẫn đến giảm độ dẫn của proton. Do đó, cần thiết kế và tổng hợp các vật liệu mới cho màng trao đổi proton để giải quyết tất cả các vấn đề được đề cập.
Khung hữu cơ kim loại, hay MOF, là vật liệu xốp có diện tích bề mặt lớn được tạo thành từ các cụm kim loại và cầu hữu cơ. Vật liệu này thu hút sự chú ý của các nhà khoa học trên toàn thế giới và đang được áp dụng trong các lĩnh vực khác nhau như lưu trữ, chiết xuất và hấp thụ các khí nhà kính như CO2 hoặc CH4; trong các chất xúc tác không đồng nhất, thăm dò hóa học…
Gần đây, vật liệu nano MOF được sử dụng rộng rãi để chế tạo vật liệu màng trao đổi proton nhờ độ bền nhiệt và hóa học cao cũng như có thể đưa chất mang proton vào cấu trúc MOF thông qua các phản ứng axit-bazơ.
Ông Mỷ cho biết vào năm 2017 và 2018, chúng tôi đã tổng hợp thành công hai vật liệu Zr-MOF mới chưa từng được công bố trước đó (lần lượt được đặt tên là VNU-17 và VNU-23) dựa trên liên kết sulfonate của cầu hữu cơ và cụm Zr. Độ dẫn proton của chúng cao hơn nhiều so với MOF truyền thống và phù hợp hơn đối với các ứng dụng trong pin nhiên liệu xe điện trong điều kiện vật lý.
Với hai vật liệu chưa từng thấy này, ông Nguyễn Văn Mỷ đã có đóng góp rất lớn cho thế giới.
HIm11VNU-17 và His8.2VNU-23 cho thấy giá trị chì proton vượt trội so với các MOF khác.
His8.2VNU-23 có giá trị độ dẫn lớn hơn 10-2 S cm-1 (95 độ C, 85% rh), tương tự như vật liệu Nafion truyền thống nhưng khắc phục hoàn toàn nhược điểm của Nafion khi đo ở độ ẩm thấp hơn và nhiệt độ cao hơn.
Hơn nữa, dự án có tính ứng dụng cao (nhờ sự tổng hợp các vật liệu từ các nguồn có giá thành rẻ như muối ZrOCl2 và liên kết H2NDC) để tạo màng trao đổi proton trong pin nhiên liệu hydro.
Đình Phú
(Lược dịch)