Các chất xúc tác hạt nano platin-coban được sử dụng làm tiêu chuẩn ngày nay có tính chất xúc tác tốt và chỉ yêu cầu một lượng platinum hiếm cần thiết. Để chất xúc tác được sử dụng trong pin nhiên liệu, nó phải có bề mặt với một lượng rất nhỏ hạt platin-coban trong phạm vi nanomet, áp dụng cho vật liệu mang cacbon dẫn điện. Vì các hạt nhỏ và cả cacbon trong pin nhiên liệu dần bị ăn mòn, pin sẽ mất dần hiệu năng và tính ổn định theo thời gian.

​

Một nhóm nghiên cứu quốc tế do Giáo sư Matthias Arenz từ Khoa Hóa học và Hóa sinh (DCB) tại Đại học Bern dẫn đầu hiện đã thành công trong việc sử dụng quy trình đặc biệt để sản xuất chất xúc tác điện không có chất mang carbon. Không giống như các chất xúc tác hiện có, chất xúc tác này bao gồm một mạng kim loại và do đó trở nên bền hơn. Giáo sư Matthias Arenz cho biết: “Chất xúc tác mà chúng tôi đã phát triển đạt được hiệu suất cao và hứa hẹn sẽ hoạt động ổn định ngay cả khi ở nhiệt độ và mật độ dòng điện cao.” Kết quả hiện đã được công bố trên tạp chí Nature Materials. Đây là nghiên cứu hợp tác quốc tế giữa DCB và Đại học Copenhagen và Viện Leibniz về Khoa học và Công nghệ Plasma, đồng thời sử dụng cơ sở hạ tầng Nguồn sáng Thụy Sĩ (SLS) tại Viện Paul Scherrer.

Pin nhiên liệu - phát điện trực tiếp mà không cần qua quá trình đốt cháy

Trong pin nhiên liệu hydro, các nguyên tử hydro được tách ra để tạo ra năng lượng điện trực tiếp. Với mục đích này, hydro được đưa đến một điện cực để được phân tách thành các proton mang điện tích dương và các electron mang điện tích âm. Các electron chảy qua điện cực và tạo ra dòng điện bên ngoài pin, giúp tạo năng lượng cho động cơ xe. Các proton đi qua một màng chỉ thấm proton và phản ứng ở phía bên kia trên điện cực thứ hai được phủ một chất xúc tác (ở đây là từ mạng hợp kim platin-coban) với oxy từ không khí, từ đó tạo ra hơi nước. Chúng được thải ra ngoài qua "ống xả".’

Vai trò quan trọng của chất xúc tác điện

Để pin nhiên liệu có thể sản xuất điện, cả hai điện cực phải được phủ một lớp xúc tác. Nếu không có chất xúc tác, các phản ứng hóa học sẽ diễn ra rất chậm. Điều này đặc biệt áp dụng cho điện cực thứ hai, điện cực oxy. Tuy nhiên, các hạt nano platin-coban của chất xúc tác có thể "tan vào nhau" trong quá trình vận hành xe. Điều này làm giảm bề mặt chất xúc tác và do đó giảm hiệu quả của tế bào. Ngoài ra, carbon thường được sử dụng để cố định chất xúc tác có thể bị ăn mòn khi sử dụng trên giao thông đường bộ. Điều này ảnh hưởng đến tuổi thọ của pin nhiên liệu và do đó gây tác động xấu đến xe. Matthias Arenz giải thích: “Động lực của chúng tôi là sản xuất một chất xúc tác điện không có chất mang carbon nhưng vẫn vô cùng mạnh mẽ. Trước đây, các chất xúc tác tương tự không có chất mang vật liệu luôn chỉ có diện tích bề mặt tối giản. Vì kích thước của diện tích bề mặt là rất quan trọng đối với hoạt động của chất xúc tác và hiệu suất của chúng, do vậy ít khi chúng trở nên thích hợp cho việc sử dụng trong công nghiệp.
 
Công nghệ ứng dụng trong công nghiệp
 
Các nhà nghiên cứu đã có thể biến ý tưởng thành hiện thực nhờ vào một quá trình đặc biệt gọi là phún xạ cathode. Với phương pháp này, cá thể của vật liệu (ở đây là bạch kim hoặc coban) được hòa tan (nguyên tử hóa) bằng cách bắn phá với các ion. Các nguyên tử khí được giải phóng sau đó ngưng tụ lại như một lớp kết dính. Tiến sĩ Gustav Sievers, tác giả chính của nghiên cứu từ Viện Khoa học và Công nghệ Plasma Leibniz cho biết: "Với quy trình phún xạ đặc biệt và quá trình xử lý tiếp theo, ta có thể đạt được cấu trúc rất xốp, tạo cho chất xúc tác có diện tích bề mặt cao và đồng thời có khả năng tự hỗ trợ chính nó. Chất mang carbon ở đây là không cần thiết".

Matthias Arenz chia sẻ: “Công nghệ này có thể mở rộng quy mô công nghiệp và do đó cũng có thể được sử dụng cho khối lượng sản xuất lớn hơn, ví dụ như trong ngành công nghiệp ô tô. Quá trình này cho phép pin nhiên liệu hydro được tối ưu hóa hơn nữa để sử dụng trong giao thông đường bộ. Arenz nói: “Những phát hiện của chúng tôi có tầm quan trọng đối với sự phát triển xa hơn của việc sử dụng năng lượng bền vững, đặc biệt là trong bối cảnh phát triển hiện nay trong lĩnh vực di chuyển cho các phương tiện vận tải hàng hóa công nghiệp”.

Link: https://www.sciencedaily.com/releases/2020/08/200824123403.htm