Pin nhiên liệu ở 300°C: Đột phá mở đường cho năng lượng hydro bình dân

một giờ trướcBài gốc

Đây là mức nhiệt thấp hơn rất nhiều so với 700–800°C của các hệ thống SOFC truyền thống, vốn đòi hỏi vật liệu siêu bền và chi phí chế tạo cực cao. Thành tựu được công bố trên tạp chí Nature Materials không chỉ mở ra tiềm năng giảm mạnh giá thành mà còn đưa pin nhiên liệu hydro đến gần hơn với các ứng dụng quy mô hộ gia đình, công nghiệp nhẹ và các thiết bị năng lượng mới.

Hạ nhiệt độ hoạt động: Chìa khóa giải phóng tiềm năng của SOFC

Trong lúc thế giới đang tăng tốc chuyển đổi năng lượng để đối phó với biến đổi khí hậu, các công nghệ sạch như pin nhiên liệu nhận được sự quan tâm đặc biệt. SOFC là một trong những hệ thống hứa hẹn nhất nhờ hiệu suất cao, khả năng hoạt động liên tục và độ bền vượt trội so với nhiều công nghệ khác.

Tuy nhiên, yêu cầu nhiệt độ cực cao của SOFC truyền thống khiến chúng trở nên đắt đỏ và khó áp dụng rộng rãi. Những vật liệu có thể chịu được 800°C phải là các loại gốm cao cấp hoặc kim loại đặc biệt, làm tăng chi phí chế tạo, vận hành và bảo trì. Hệ thống cũng mất nhiều thời gian khởi động, dễ gặp ứng suất nhiệt và có kích thước cồng kềnh, không phù hợp cho ứng dụng dân dụng.

Giáo sư Yoshihiro Yamazaki, trưởng nhóm nghiên cứu tại Đại học Kyushu

Trung tâm của vấn đề nằm ở chất điện phân, lớp vật liệu gốm cho phép proton di chuyển giữa hai điện cực để tạo ra dòng điện. Ở nhiệt độ dưới 600°C, hầu hết các vật liệu đều không thể dẫn proton đủ nhanh, khiến pin nhiên liệu hoạt động kém hiệu quả. Giáo sư Yoshihiro Yamazaki, trưởng nhóm nghiên cứu tại Đại học Kyushu, cho biết rằng việc giảm nhiệt độ hoạt động xuống 300°C sẽ giúp cắt giảm đáng kể chi phí hệ thống, đồng thời mở đường cho các thiết bị nhỏ gọn, thân thiện với người dùng. Nhưng thách thức lớn nhất là chưa từng có vật liệu nào có thể mang đủ proton với tốc độ cao ở mức nhiệt thấp như vậy.

Nhóm nghiên cứu đã dành nhiều năm khám phá các cấu trúc tinh thể khác nhau, tìm cách giữ được lượng proton lớn mà vẫn duy trì tốc độ di chuyển cao. Thông thường, để tăng số proton có thể di chuyển, cần pha tạp các nguyên tố vào mạng tinh thể. Nhưng chất pha tạp lại khiến mạng tinh thể bị bó hẹp và cứng hơn, làm proton di chuyển khó khăn. Đây là nghịch lý cơ bản khiến các hệ SOFC nhiệt độ thấp luôn bị bế tắc.

Hình ảnh kỹ thuật số về sự hình thành các con đường truyền proton trong BaSnO₃ và BaTiO₃ nhờ nồng độ thay thế scandi cao.

Bước đột phá chỉ xuất hiện khi nhóm nhận thấy rằng hai hợp chất BaSnO₃ và BaTiO₃, khi được pha tạp với nồng độ scandium (Sc) rất cao, lại cho phép proton di chuyển nhanh bất ngờ. Những vật liệu này không chỉ chứa được nhiều Sc hơn mức từng được cho là giới hạn, mà còn tạo ra một cấu trúc đặc biệt mà Yamazaki mô tả như “đường cao tốc ScO₆”.

Trong cấu trúc này, các nguyên tử Sc liên kết với oxy xung quanh để mở ra những lối di chuyển rộng và mềm mại, nơi proton có thể trượt qua mà không bị mắc kẹt như trong các vật liệu truyền thống. Mô phỏng động lực học phân tử cho thấy rào cản năng lượng trên con đường này thấp hơn bất thường, làm tăng độ dẫn proton lên hơn 0,01 S/cm ngay ở 300°C – tương đương với mức của SOFC thông thường ở 600–700°C.

Điều khiến phát hiện này mang tính đột phá không chỉ là tốc độ dẫn ion, mà còn là cách nó thay đổi hoàn toàn quan điểm về mối quan hệ giữa mức độ pha tạp và hiệu suất dẫn proton. Lần đầu tiên, người ta tìm ra một vật liệu vừa có thể chứa nhiều proton vừa cho phép chúng di chuyển nhanh, mở ra khả năng chế tạo pin nhiên liệu hoạt động ở nhiệt độ trung gian, rẻ hơn và đơn giản hơn rất nhiều so với công nghệ hiện tại. Đây là bước quan trọng đưa SOFC từ những hệ thống cồng kềnh, đắt đỏ sang các thiết bị linh hoạt, nhỏ gọn và thân thiện hơn với người dùng.

Con đường tiến tới năng lượng hydro bình dân

Tác động của phát hiện này vượt xa phạm vi của pin nhiên liệu. Khi nhiệt độ hoạt động giảm xuống chỉ còn 300°C, các hạn chế về vật liệu và thiết kế được nới lỏng đáng kể. Các bộ phận như ống dẫn khí, vỏ bọc và khung đỡ có thể dùng những loại vật liệu phổ thông hơn, rẻ hơn và dễ sản xuất hàng loạt. Hệ thống trở nên gọn nhẹ hơn, khởi động nhanh hơn và chịu ít ứng suất nhiệt hơn, kéo dài tuổi thọ thiết bị. Tất cả những yếu tố này kết hợp lại tạo thành tiền đề cho sự xuất hiện của các thiết bị dựa trên SOFC có giá cả cạnh tranh với công nghệ truyền thống.

Năng lượng hydro là sự lựa chọn xanh cho tương lai

Những ứng dụng tiềm năng đặc biệt rộng mở. Với một SOFC hoạt động ở nhiệt độ trung gian, điện phân nước để sản xuất hydro xanh trở nên khả thi hơn nhiều. Hiện nay, điện phân nước hiệu quả thường đòi hỏi nhiệt độ cao hoặc điện năng lớn, khiến chi phí sản xuất hydro sạch vẫn ở mức cao.

Nếu thiết bị điện phân có thể vận hành tốt ở 300°C, nó có thể tận dụng nhiệt thải từ các quá trình công nghiệp khác, biến nguồn năng lượng vốn bị bỏ phí thành một dòng hydro xanh giá rẻ. Điều này mở ra cơ hội tích hợp liền mạch công nghệ hydro vào các nhà máy hóa chất, nhà máy luyện kim hoặc thậm chí các trung tâm dữ liệu vốn tạo ra lượng nhiệt lớn.

Trong chuỗi cung ứng hydro, các máy bơm hydro cũng đóng vai trò quan trọng trong tinh chế và vận chuyển khí. Việc giảm nhiệt độ hoạt động sẽ giúp những thiết bị này hoạt động ổn định hơn, giảm chi phí vận hành và tăng độ bền. Một hạ tầng hydro được tối ưu hóa theo cách đó có thể trở thành nền tảng cho các hệ thống năng lượng sạch trong tương lai.

Một trong những hướng nghiên cứu rất được quan tâm là khả năng ứng dụng công nghệ này trong các lò phản ứng điện hóa chuyển đổi CO₂ thành các hóa chất giá trị cao. Các sản phẩm như methanol và ethanol có thể được sử dụng làm nhiên liệu hoặc nguyên liệu sản xuất công nghiệp. Nếu quá trình chuyển đổi này diễn ra ở mức nhiệt 300°C với hiệu suất cao, chi phí sản xuất sẽ giảm mạnh, đồng thời góp phần trực tiếp vào việc giảm và tái chế phát thải carbon.

Tầm quan trọng của việc đạt được SOFC hoạt động ở 300°C không chỉ nằm ở khía cạnh kỹ thuật. Nó thay đổi toàn diện triển vọng thương mại của công nghệ này và mở ra một tương lai năng lượng nơi mỗi hộ gia đình có thể sở hữu một hệ thống pin nhiên liệu nhỏ gọn, yên tĩnh, sử dụng hydro để cấp điện và nhiệt. Các phương tiện giao thông cũng có thể tích hợp SOFC để tăng phạm vi vận hành và giảm thời gian nạp năng lượng so với pin lithium-ion truyền thống. Những ứng dụng như vậy từng bị xem là xa vời, nhưng với đột phá mà nhóm của Yamazaki đạt được, chúng tiến gần hơn tới thực tế.

Câu chuyện từ Đại học Kyushu là ví dụ điển hình cho sức mạnh của nghiên cứu cơ bản về vật liệu khi kết hợp với tầm nhìn ứng dụng rõ ràng. Bằng cách đi sâu vào cấu trúc mạng tinh thể và động lực học ion ở cấp độ nguyên tử, các nhà khoa học đã biến một nghịch lý tồn tại hàng thập kỷ thành một giải pháp thực tiễn, góp phần mở ra kỷ nguyên năng lượng hydro bình dân và bền vững hơn cho tương lai.

Bùi Tú

Nguồn Một Thế Giới : https://1thegioi.vn/pin-nhien-lieu-o-300-c-dot-pha-mo-duong-cho-nang-luong-hydro-binh-dan-241737.html