Pin nhiên liệu là loại thiết bị năng lượng có nhiều vai trò quan trọng trong các ứng dụng di động, công nghiệp và không gian, đặc biệt là trong việc cung cấp năng lượng sạch và hiệu quả. Pin nhiên liệu thường sạch hơn so với các nguồn năng lượng truyền thống như dầu mỏ hoặc than đá vì chúng không sản sinh khí thải carbon độc hại. Chúng cũng có hiệu suất cao hơn trong một số ứng dụng so với pin lithium-ion.

Thời gian qua, cuộc khủng hoảng năng lượng trên toàn cầu đã khiến các nguồn nguyên liệu hóa thạch ngày cạn kiệt trong khi nhu cầu sử dụng ngày càng tăng lên, kèm theo đó, việc tiêu thụ nguồn năng lượng hoá thạch còn gây ra ô nhiễm môi trường nghiêm trọng. Thực tế này đã khiến việc nghiên cứu các nguồn năng lượng mới thay thế từ “pin nhiên liệu” trở nên quan trọng hơn bao giờ hết.

Do đó, Phòng Thí nghiệm trọng điểm Công nghệ lọc, hóa dầu đã đề xuất và được Bô Công Thương phê duyệt thực hiện đề tài nghiên cứu khoa học “Nghiên cứu công nghệ điều chế mực xúc tác trên cơ sở kim loại quý/graphene, ứng dụng trong chế tạo điện cực màng (anot) cho pin nhiên liệu sử dụng alcohol trực tiếp”. Đề tài do GS.TS. Vũ Thị Thu Hà làm chủ nhiệm.

Mục tiêu chính của đề tài nhằm đóng góp vào kết quả nghiên cứu về xúc tác Pt/graphene, mở ra các hướng ứng dụng một cách hiệu quả các chất xúc tác trên cơ sở Pt mang trên vật liệu graphene, góp phần rút ngắn khoảng cách trong tiến trình ứng dụng thế hệ xúc tác Pt/graphene trong pin DAFC, là kết quả được cộng đồng khoa học thế giới quan tâm.

Để thực hiện có hiệu quả các mục tiêu đã đề ra, chủ nhiệm đề tài Vũ Thị Thu Hà cùng các cộng sự đã tiến hành nghiên cứu phát triển công nghệ chế tạo vật liệu xúc tác nano trên cơ sở Pt/graphene có hoạt tính và độ bền hoạt tính cao trong phản ứng oxy hóa điện hóa methanol và ethanol; Đồng thời, nghiên cứu ứng dụng vật liệu xúc tác nano trên cơ sở Pt/graphene chế tạo anot cho pin nhiên liệu sử dụng alcohol trực tiếp (DMFC và DEFC);  Trên cơ sở đó, lắp ráp thử nghiệm một số mô hình pin nhiên liệu sử dụng alcohol trực tiếp.

Sau 2 năm thực hiện, các kết quả thu được của đề tài đều vượt yêu cầu so với đặt hàng. Cụ thể, đã xây dựng được nhóm quy trình công nghệ ổn định, có độ lặp lại trên 98% để chế tạo vật liệu graphene. Đã xây dựng và áp dụng nhóm quy trình công nghệ, quy mô 200mL/mẻ, chế tạo mực xúc tác trên cơ sở kim loại quý/vật liệu graphene.

Kết quả, mực xúc tác CI-PFG do dự án chế tạo có hiệu suất oxi hóa chuyển hóa metanol đạt 17.849 mA.mgPt-1 và etanol đạt 15.466 mg.mgPt-1, cao hơn khoảng 15 lần so với xúc tác thương mại Pt/C đã được công bố. Độ ổn định hoạt tính ở nhiệt độ thường sau 900 vòng quét đạt 74,2% với metanol và 87,2% với etanol. Mực xúc tác Pt/rGQ có hiệu suất oxi hóa chuyển hóa metanol đạt 26.579 mA.mgPt-1 và etanol đạt 17.156 mA.mgPt-1, cao hơn khoảng 17 đến 26 lần so với xúc tác thương mại Pt/C đã được công bố. Độ ổn định hoạt tính ở nhiệt độ thường sau 900 vòng quét đạt 86,0% với metanol và 83,4% với etanol.

Đặc biệt, Phòng Thí nghiệm trọng điểm Công nghệ lọc, hóa dầu đã phát triển thành công các phương pháp mới, hiệu quả cao, chi phí thấp, để điều chế dòng xúc tác Pt/FLG và Pt/(rGO-GQDs), với hàm lượng Pt rất thấp và hoạt tính điện hóa siêu cao trong phản ứng oxy hóa điện hóa methanol MOR (khoảng 113.000 mA.mgPt-1) và oxy hóa điện hóa ethanol EOR (65.000 mA.mgPt-1) - cao gấp hàng chục đến hàng trăm lần hoạt tính của các chất xúc tác cùng loại đã được công bố trên thế giới đến thời điểm này.

Các kết quả này đã được đăng ký độc quyền sở hữu trí tuệ tại Cục Sở hữu trí tuệ Việt Nam và tại Cục Sáng chế và Bảo hộ thương hiệu Hoa kỳ. Theo đánh giá, quy trình công nghệ đăng ký trong sáng chế có rất nhiều đặc tính ưu việt, như phương pháp điều chế vật liệu nano khá đơn giản, dễ dàng mở rộng công suất lên quy mô lớn, sử dụng tiết kiệm kim loại quý, không gây lãng phí nguồn carbon, hoạt tính của xúc tác “siêu” cao, cao hơn tất cả các xúc tác cùng họ đã được công bố trên thế giới đến thời điểm này. Tất cả các ưu điểm này làm cho giá thành vật liệu xúc tác giảm đáng kể, dẫn tới tăng đáng kể tính khả thi ứng dụng trong công nghiệp.

Ngoài ra, các kết quả nghiên cứu mang tính hệ thống và bài bản về công nghệ sản xuất mực xúc tác, ứng dụng trong pin DAFC mà đề tài thu được có ý nghĩa thực tiễn cao, góp phần rút ngắn khoảng cách trong tiến trình ứng dụng thế hệ xúc tác Pt/graphene trong pin DAFC, đang được cộng đồng khoa học và doanh nhân trên thế giới quan tâm.

Trong thời gian tới, Phòng Thí nghiệm trọng điểm Công nghệ lọc, hóa dầu sẽ tiếp tục phát triển định hướng chiến lược này song song với việc thương mại hóa các sản phẩm vật liệu nano và vật liệu xúc tác trên cơ sở graphene trên thị trường trong nước và quốc tế.