Khoa học kỹ thuật và công nghệ

Bước tiến lớn cho pin nhiên liệu và máy điện phân thế hệ mới (07/03/2014)

Một bước tiến lớn trong phát triển pin nhiên liệu thế hệ mới và máy điện phân nước-kiềm đã đạt được với việc phát hiện ra một loại chất xúc tác nano lưỡng kim mới có cường độ hoạt động cao hơn so với mục tiêu mà Bộ Năng lượng Hoa Kỳ đặt ra cho năm 2017. Chất xúc tác mới, các khung nano đa diện rỗng bằng bạch kim và niken, có hoạt động bề mặt xúc tác ba chiều làm cho chúng hiệu quả hơn đáng kể và ít tốn kém hơn nhiều so với các chất xúc tác platin tốt nhất được sử dụng trong pin nhiên liệu và máy điện phân kiềm hiện nay. Nghiên cứu này là kết quả của sự hợp tác nghiên cứu giữa Phòng thí nghiệm Quốc gia Lawrence Berkeley (Berkeley Lab), Bộ Năng lượng Hoa Kỳ và Phòng thí nghiệm Quốc gia Argonne (ANL).

Những minh họa dưới dạng biểu đồ này và các bức ảnh tương ứng được chụp từ kính hiển vi điện tử truyền qua cho thấy sự phát triển của bạch kim/niken từ khối đa diện thành các khung nano của khối mười hai mặt với lớp phủ giàu bạch kim. Ảnh: Peidong Yang, Phòng thí nghiệm Berkeley

“Chúng tôi công bố quá trình tổng hợp một loại chất xúc tác điện tử có hoạt tính cao và bền bằng cách khai thác sự phát triển cấu trúc của các tinh thể nano lưỡng kim bạch kim/niken,” Peidong Yang, nhà hóa học tại Phòng Khoa học vật liệu của Phòng thí nghiệm Berkeley, người dẫn dắt nghiên cứu phát hiện ra chất xúc tác mới này, cho biết. “Chất xúc tác của chúng tôi có một cấu trúc khung nano rỗng độc đáo với các bề mặt ba chiều giàu bạch kim dễ dàng sử dụng cho các phản ứng xúc tác. Bằng cách giảm đáng kể lượng bạch kim cần thiết để giảm oxy và các phản ứng tỏa khí hydro, chất xúc tác nano mới của chúng tôi có thể đưa đến việc thiết kế các chất xúc tác thế hệ mới với chi phí giảm rất nhiều nhưng hiệu quả được tăng cường đáng kể.”

Yang là một trong các tác giả chính của bài báo với tiêu đề “Khung nano đa kim loại có độ kết tinh cao với các bề mặt xúc tác điện tử ba chiều” xuất bản trên Tạp chí Science mô tả nghiên cứu này. Các tác giả chính khác là Vojislav Stamenkovic, nhà hóa học tại Phòng Khoa học Vật liệu của ANL, người dẫn dắt việc thử nghiệm chất điện xúc tác điện tử mới này.

Pin nhiên liệu và máy điện phân có thể giúp đáp ứng các nhu cầu ngày càng tăng về điện năng trong khi giảm đáng kể phát thải khí carbon và các chất ô nhiễm không khí khác. Những công nghệ này được dựa trên một trong hai phản ứng là phản ứng khử oxy (pin nhiên liệu) và phản ứng tỏa khí hydro (máy điện phân). Hiện nay, chất xúc tác điện tử tốt nhất cho cả loại hai phản ứng này bao gồm các hạt nano bạch kim phân tán trên carbon. Mặc dù khá hiệu quả, chi phí cao và sự sẵn có hạn chế của bạch kim làm cho việc sử dụng quy mô lớn của phương pháp này là một thách thức lớn cho cả các ứng dụng tĩnh và các ứng dụng điện hóa di động.

Yang cho biết: “Các nỗ lực nghiên cứu được tập trung vào việc phát triển chất xúc tác điện tử hiệu suất cao với hàm lượng kim loại quý và chi phí tối thiểu. Trong một nghiên cứu trước đó, các nhà khoa học ANL cho thấy việc hình thành một lớp bọc bạch kim được cô lập ở cấp độ nano lên trên một hợp kim đơn tinh thể bạch kim/niken số lượng lớn làm tăng hoạt động xúc tác nhưng các vật liệu này có thể không được tích hợp dễ dàng vào các thiết bị điện hóa. Chúng tôi cần có thể tái sản xuất hiệu suất xúc tác xuất sắc của những vật liệu này trong các hạt nano cung cấp các diện tích bề mặt cao”.

Yang và các đồng nghiệp của ông tại Berkeley thực hiện điều này bằng cách chuyển đổi các hạt nano rắn lưỡng kim đa diện của bạch kim và niken thành các khung nano rỗng. Các hạt nano đa diện rắn này được tổng hợp trong thuốc thử oleylamine, sau đó được ngâm trong một dung môi, như hexane hoặc chloroform, trong hai tuần ở nhiệt độ phòng, hoặc trong 12 giờ ở nhiệt độ 120^oC. Dung môi, với oxy hòa tan của nó, gây ra xói mòn tự nhiên bên trong, đưa đến kết quả là một khung nano khối mười hai mặt rỗng. Ủ những khung nano của khối mười hai mặt này trong khí argon tạo ra một lớp vỏ bọc bạch kim trên các bề mặt của khung nano.

“Ngược lại với các quy trình tổng hợp khác cho các cấu trúc nano rỗng liên quan đến sự ăn mòn gây ra bởi các tác nhân oxy hóa mạnh hoặc khả năng áp dụng, phương pháp của chúng tôi diễn ra một cách tự nhiên trong không khí”, Yang nói. “Cấu trúc mở của các khung nano bạch kim/niken của chúng tôi giải quyết được một số tiêu chuẩn thiết kế quan trọng đối với chất xúc tác điện tử tiên tiến cấp độ nano, bao gồm tỷ lệ bề mặt- khối lượng cao, có thể tiếp cận phân tử bề mặt 3-D, và giảm đáng kể việc sử dụng kim loại quý”.

Trong các thử nghiệm hiệu suất của chất xúc tác điện tử tại ANL, các khung nano bạch kim/niken khi được bọc trong một chất lỏng ion cho thấy tổng hoạt tính tăng lên 36 lần và hoạt tính cụ thể tăng lên 22 lần so với các hạt nano bạch kim phân tán trên carbon cho phản ứng khử oxy. Những chất xúc tác điện tử khung nano này, được thay đổi bằng niken hydroxit lắng đọng điện hóa học, cũng đã được thử nghiệm cho phản ứng tỏa ra hydro và cho thấy rằng hoạt tính xúc tác được tăng một cấp khuếch đại đối với chất xúc tác platin/carbon.

“Kết quả của chúng tôi chứng minh các tác động có lợi của cấu trúc mở của khung nano rỗng và hồ sơ thành phần bề mặt”, Yang nói. “Kỹ thuật chế tạo các khung nano rỗng của chúng tôi có thể dễ dàng áp dụng cho các chất xúc tác điện tử đa kim loại khác hoặc chất xúc tác pha khí. Tôi khá lạc quan về khả năng thương mại của nó”.

Nguồn: www.vista.vn (Theo Sciendaily)