Khi nhu cầu năng lượng toàn cầu tăng lên, các nhà nghiên cứu, chính phủ và các bên liên quan đang cùng nhau hợp tác để phát triển những phương thức mới nhằm đáp ứng nhu cầu đó. Điều này đặc biệt quan trọng khi chúng ta đang chuyển đổi dần khỏi nhiên liệu hóa thạch và giải quyết cuộc khủng hoảng khí hậu hiện nay.
Một loại hình sản xuất năng lượng rất hứa hẹn là pin nhiên liệu. Khác với pin thông thường, giải phóng năng lượng hóa học được lưu trữ dưới dạng điện, pin nhiên liệu chuyển đổi nhiên liệu hóa học trực tiếp thành điện và tiếp tục như vậy miễn là nhiên liệu được cung cấp. Loại pin nhiên liệu phổ biến, khá quen thuộc là pin nhiên liệu hydro, chuyển đổi khí hydro thành năng lượng và nước.
Trong khi đó, pin nhiên liệu oxit rắn (SOFC) rất hứa hẹn nhờ hiệu suất cao và tuổi thọ dài, nhưng một nhược điểm lớn là chúng cần hoạt động ở nhiệt độ cao khoảng 700-800°C. Do đó, việc sử dụng loại pin này đòi hỏi vật liệu chịu nhiệt đắt tiền.
Mới đây, trên tạp chí Nature Materials, các nhà nghiên cứu tại Đại học Kyushu (Nhật Bản) cho biết, họ thành công trong việc phát triển SOFC mới, hoạt động hiệu quả ở nhiệt độ 300°C. Nhóm nghiên cứu kỳ vọng, phát hiện mới của họ sẽ dẫn đến việc phát triển SOFC nhiệt độ thấp, chi phí thấp và đẩy nhanh đáng kể ứng dụng thực tế của loại pin này.
Trái tim của SOFC là chất điện phân, một lớp ceramic mang các hạt tích điện giữa hai điện cực. Trong pin nhiên liệu hydro, chất điện phân vận chuyển các ion hydro (còn gọi là proton) để tạo ra năng lượng. Tuy nhiên, pin nhiên liệu cần hoạt động ở nhiệt độ cực cao để hoạt động hiệu quả.
Giáo sư Yoshihiro Yamazaki tại Đại học Kyushu, người đứng đầu nghiên cứu, giải thích, việc giảm nhiệt độ hoạt động xuống 300°C sẽ giúp cắt giảm chi phí vật liệu. Tuy nhiên, chưa có loại ceramic nào được biết đến có thể mang đủ proton nhanh ở điều kiện “ấm” như vậy. Vì vậy, nhóm nghiên cứu đặt ra mục tiêu phá vỡ nút thắt đó.
Chất điện phân tạo thành từ các tổ hợp nguyên tử khác nhau, được sắp xếp theo cấu trúc mạng tinh thể. Giữa các nguyên tử này, proton sẽ di chuyển. Các nhà nghiên cứu đã khám phá các tổ hợp vật liệu và chất pha tạp hóa học khác nhau - những chất có thể thay đổi tính chất vật lý của vật liệu - để cải thiện tốc độ proton di chuyển qua chất điện phân.
Nhưng điều này cũng đi kèm với thách thức. Việc bổ sung chất pha tạp hóa học có thể làm tăng số lượng proton di chuyển đi qua chất điện phân, nhưng nó thường làm tắc nghẽn mạng tinh thể, làm chậm tốc độ proton. Nhóm nghiên cứu tìm kiếm các tinh thể oxit có thể chứa nhiều proton và cho phép chúng di chuyển tự do, một sự cân bằng mà nghiên cứu của họ cuối cùng đã đạt được.
Nhóm nghiên cứu phát hiện rằng hai hợp chất, barium stannate (BaSnO₃) và barium titanate (BaTiO₃), khi được pha tạp với nồng độ scandium (Sc) cao, có thể đạt độ dẫn proton chuẩn của SOFC là hơn 0,01 S/cm ở 300°C, mức độ dẫn điện tương đương các chất điện phân SOFC phổ biến hiện nay ở 600-700°C.
Phân tích cấu trúc và mô phỏng động lực học phân tử cho thấy, các nguyên tử Sc liên kết với các nguyên tử oxy xung quanh, tạo thành “đường cao tốc ScO₆”, theo đó các proton di chuyển với rào cản thấp bất thường. Đường dẫn này vừa rộng, vừa dao động nhẹ, giúp ngăn chặn hiện tượng giữ proton thường xảy ra ở các oxit pha tạp mạnh, Giáo sư Yamazaki giải thích.
Dữ liệu động lực học mạng lưới cho thấy BaSnO₃ và BaTiO₃ về bản chất “mềm” hơn so với các vật liệu SOFC thông thường, cho phép chúng hấp thụ nhiều Sc hơn so với giả định trước đây. Những phát hiện này đảo ngược sự đánh đổi giữa mức độ pha tạp và vận chuyển ion, mở ra con đường rõ ràng cho các SOFC nhiệt độ trung bình, giá thành thấp.
Ngoài pin nhiên liệu, nguyên lý tương tự có thể áp dụng cho các công nghệ khác, chẳng hạn như điện phân nhiệt độ thấp, bơm hydro và lò phản ứng chuyển đổi CO₂ thành các hóa chất có giá trị. Công trình của nhóm nghiên cứu, biến một nghịch lý khoa học lâu nay thành giải pháp thiết thực, đưa năng lượng hydro giá cả phải chăng đến gần hơn với cuộc sống hằng ngày.
