Các nhà nghiên cứu từ Viện khoa học Tokyo, Nhật Bản khám phá, hơi nước có thể là chìa khóa cho pin nhiên liệu oxit rắn ở nhiệt độ thấp. Sự phát triển này có thể dẫn đến các pin nhiên liệu hiệu quả và bền hơn cho các ứng dụng năng lượng sạch trong tương lai.
Hiện nay, hầu hết pin nhiên liệu chuyển đổi hydro và oxy thành điện, còn hơi nước là sản phẩm “thải”. Mặc dù hầu hết pin nhiên liệu đều sạch và hiệu quả, nhưng pin nhiên liệu oxit rắn (SOFC) thường hoạt động ở nhiệt độ cực cao, lên tới 1.000 độ C.
Nhiệt độ cao này khiến vật liệu nhanh chóng bị phân hủy, làm cho hệ thống trở nên đắt đỏ. Vì lý do này, các nhà nghiên cứu đi tìm kiếm chất điện phân ceramic mới hoạt động hiệu quả ở nhiệt độ thấp hơn (khoảng 400 độ C đến 600 độ C) mà vẫn dẫn ion hiệu quả.
Để giải quyết vấn đề này, nhóm nghiên cứu tập trung vào một loại vật liệu ceramic gọi là barium-niobium-molybdenum oxide (Ba₇Nb₄MoO₂₀). Vật liệu này là oxit liên quan đến perovskite, một loại cấu trúc tinh thể tốt cho việc vận chuyển ion.
Thông thường, những vật liệu như vậy có tính dẫn điện, nhưng cơ chế mà nước (hydrat hóa) ảnh hưởng đến tính dẫn điện này vẫn chưa được hiểu rõ. Sử dụng vật liệu này, nhóm nghiên cứu nhận thấy, khi tiếp xúc với hơi nước, Ba₇Nb₄MoO₂₀ dẫn ion oxy hiệu quả hơn nhiều.
Ở nhiệt độ 500 độ C, họ phát hiện độ dẫn điện của nó tăng hơn gấp đôi (từ 2,5 x 10⁻⁴ lên 5,3 x 10⁻⁴ S/cm). Họ cũng xác nhận, các ion oxy (O²⁻), chứ không phải proton (H⁺), là các hạt mang điện tích chính.
Nhưng điều này diễn ra như thế nào? Phát hiện cho thấy, hơi nước được hấp thụ vào tinh thể. Điều này bổ sung thêm các ion oxy xen kẽ vào cấu trúc. Các ion này tạo ra và phá vỡ các đơn vị “dimer” nhỏ (Nb/Mo)₂O₉ bên trong mạng tinh thể, giúp các ion oxy khác di chuyển dễ dàng hơn. Điều này cuối cùng cho phép các ion di chuyển nhanh và tự do hơn.
Sử dụng các thí nghiệm với không khí khô và không khí ướt, nhóm nghiên cứu tiến hành nghiên cứu khuếch tán chất đánh dấu đặc biệt để theo dõi chuyển động của các nguyên tử oxy. Họ cũng sử dụng các mô phỏng với động lực học phân tử do AI điều khiển để xác nhận cơ chế này.
Nghiên cứu này đưa pin SOFC ở nhiệt độ thấp đến gần hơn với thực tế. Nếu pin nhiên liệu có thể hoạt động ở nhiệt độ khoảng 500 độ C thay vì 1.000 độ C, chúng có thể tồn tại lâu hơn do ít bị phân hủy vật liệu hơn.
Điều này cũng sẽ làm cho chúng rẻ hơn vì không cần các chất xúc tác đặc biệt, có khả năng trở nên thiết thực hơn cho việc sử dụng năng lượng sạch rộng rãi. Độ dẫn điện được tăng cường nhờ hydrat hóa, giải quyết một trở ngại lớn trong việc sử dụng ceramic ở nhiệt độ vừa phải.
Nghiên cứu được công bố trên tạp chí Materials Chemistry A.
