Tế bào nhiên liệu mới có thể phát điện tốt hơn

Sản lượng năng lượng của tế bào nhiên liệu mới tạo ra khoảng 20% những gì có thể có trong các tế bào nhiên liệu hydro hiện có trên thị trường, nhưng hiệu quả gấp 100 lần so với tế bào nhiên liệu sinh học sử dụng cho xe tải hữu cơ liên quan.

Các tế bào nhiên liệu từ lâu đã được xem như nguồn năng lượng đầy hứa hẹn. Những thiết bị này, được phát minh vào những năm 1830, tạo ra điện trực tiếp từ hóa chất, chẳng hạn như hydro và oxy chỉ tạo ra hơi nước như khí thải. Nhưng hầu hết tế bào nhiên liệu đều đắt tiền, không hiệu quả. Một phương pháp mới, lấy cảm hứng từ sinh học và được công bố trên tạp chí Joule, nhóm nghiên cứu của trường Đại học Wisconsin-Madison - Hoa Kỳ đã thiết kế tế bào nhiên liệu sử dụng vật liệu rẻ hơn và hợp chất hữu cơ để chuyển electron và proton.

Tế bào nhiên liệu truyền thống, electron và proton từ hydro được vận chuyển từ điện cực này sang điện cực khác, nơi chúng kết hợp với oxy để tạo ra nước. Quá trình này chuyển hóa năng lượng hóa học thành điện năng. Để tạo ra lượng điện tích đáng kể trong khoảng thời gian đủ ngắn, chất xúc tác là cần thiết để tăng tốc phản ứng. Hiện tại, chất xúc tác tốt nhất trên thị trường là bạch kim nhưng giá thành cao. Điều này làm cho tế bào nhiên liệu đắt tiền và là một trong những lý do tại sao chỉ có một vài nghìn xe chạy bằng nhiên liệu hydro hiện nay trên các con đường của Hoa Kỳ.

Tác giả nghiên cứu Shannon Stahl-Giáo sư hóa học của UW-Madison phối hợp với Thatcher Root-Giáo sư về kỹ thuật hóa học và sinh học, cho biết: “Kim loại ít tốn kém có thể được sử dụng làm chất xúc tác trong tế bào nhiên liệu hiện nay, nhưng chỉ khi sử dụng với số lượng lớn. Vấn đề là, khi chúng ta gắn quá nhiều chất xúc tác vào một điện cực, vật liệu trở nên kém hiệu quả hơn, dẫn đến sự mất hiệu quả năng lượng”. Giải pháp của nhóm nghiên cứu là nén kim loại có chi phí thấp hơn, coban, vào một lò phản ứng gần đó, nơi mà số lượng vật liệu lớn hơn không ảnh hưởng đến hiệu suất của nó. Sau đó, họ đưa ra chiến lược để làm cho electron và proton qua lại từ lò phản ứng này tới tế bào nhiên liệu.

Phương tiện thích hợp để vận chuyển này được chứng minh là hợp chất hữu cơ, được gọi là quinone, có thể mang electron và proton cùng một lúc. Trong thiết kế của nhóm nghiên cứu, quinone chọn các hạt này ở điện cực tế bào nhiên liệu, vận chuyển chúng đến lò phản ứng gần đó chứa đầy chất xúc tác coban không đắt tiền, và sau đó quay trở lại tế bào nhiên liệu để thu nhận thêm. Nhiều quinon phân hủy thành một chất giống như nhựa đường chỉ sau một quãng đường vòng tròn. Tuy nhiên, trong phòng thí nghiệm họ đã thiết kế một dẫn xuất quinone cực ổn định. Bằng cách thay đổi cấu trúc của nó, nhóm nghiên cứu đã làm chậm đáng kể sự xuống cấp của quinone. Trong thực tế, những hợp chất mà họ lắp ghép kéo dài tới 5.000 giờ - tăng hơn 100 lần so với các cấu trúc quinone trước đó.

Shannon Stahl nói: Trong khi nó không phải là giải pháp cuối cùng, khái niệm của chúng tôi giới thiệu cách tiếp cận mới để giải quyết các vấn đề trong lĩnh vực này. Ông lưu ý rằng sản lượng năng lượng của thiết kế mới tạo ra khoảng 20% những gì có thể có trong tế bào nhiên liệu hydro hiện có trên thị trường. Mặt khác, hệ thống này hiệu quả hơn 100 lần so với các tế bào nhiên liệu sinh học sử dụng các tàu con thoi hữu cơ có liên quan. Bước tiếp theo, chúng tôi sẽ tăng cường hiệu suất của chất trung gian quinone, cho phép chúng vận chuyển electron hiệu quả hơn và tạo ra nhiều năng lượng hơn. Sự tiến bộ này sẽ cho phép thiết kế của họ phù hợp với hiệu suất của pin nhiên liệu thông thường, và giá thành thấp.

Đồng tác giả nghiên cứu, Colin Anson cho biết: “Mục tiêu cuối cùng của dự án này là cung cấp tùy chọn không có carbon để tạo ra điện. Mục đích là để tìm hiểu ngành công nghiệp cần gì và tạo ra tế bào nhiên liệu”. Bước đi này trong việc phát triển giải pháp thay thế rẻ hơn có thể là lợi ích cho các công ty như Amazon và Home Depot đã sử dụng tế bào nhiên liệu hydro để lái xe nâng hàng trong kho của họ.

Theo Vista.gov.vn