Nhật Bản đột phá với pin nhiên liệu oxit rắn có độ dẫn điện cao

Các nhà nghiên cứu Nhật Bản từ Viện khoa học Tokyo (Science Tokyo) phát triển một vật liệu mới, có thể cải thiện đáng kể công nghệ pin nhiên liệu. Chứa rubidium (Rb), vật liệu mới này có độ dẫn điện cao, nghĩa là nó có thể vận chuyển các ion oxy hiệu quả hơn.

Theo nhóm nghiên cứu, vật liệu mới này có thể giúp pin nhiên liệu oxit rắn (SOFC), trở nên thiết thực, giá cả phải chăng hơn. SOFC là loại pin nhiên liệu tạo ra điện bằng một số nhiên liệu khác nhau, không chỉ hydro.

SOFC có thể chạy bằng khí đốt tự nhiên và các loại nhiên liệu khác, khiến chúng linh hoạt hơn khi sử dụng trong thực tế. Điều này nghe có vẻ đơn giản, nhưng SOFC có một số vấn đề cố hữu, cho đến nay vẫn kìm hãm việc áp dụng.

Những pin nhiên liệu này rất tốn kém để sản xuất, độ bền kém và cần nhiệt độ rất cao để hoạt động bình thường. Để giải quyết các vấn đề này, nhóm nghiên cứu Nhật Bản tìm kiếm những vật liệu tốt hơn, cho phép các ion oxy (O²⁻) di chuyển nhanh bên trong pin nhiên liệu.

Các nhà nghiên cứu đã chọn rubidium là giải pháp lý tưởng vì những đặc tính độc đáo của nó. Đầu tiên, nó có kích thước nguyên tử tương đối lớn, nghĩa là nó có nhiều “không gian trống” hơn trong cấu trúc của nó. Điều này có nghĩa, các ion oxy có thể di chuyển tự do bên trong cấu trúc chứa rubidium.

Thứ hai, nó có xu hướng năng lượng hoạt hóa tương đối thấp, nghĩa là cần ít năng lượng hơn để các ion di chuyển. Điều này cũng làm cho vật liệu dẫn điện tốt hơn. Sử dụng mô phỏng máy tính, nhóm nghiên cứu phân tích 475 vật liệu khác nhau dựa trên rubidium và thấy rằng Rb₅BiMo₄O₁₆ là hợp chất triển vọng nhất.

Sau khi tổng hợp hợp chất, nhóm nghiên cứu nhận thấy, Rb₅BiMo₄O₁₆ thể hiện độ dẫn ion oxit cao là 0,14 mS/cm ở 300 độ C, cao hơn 29 lần so với vật liệu SOFC thường dùng (ziriconia ổn định bằng yttria) cũng ở 300 độ C.

Các thí nghiệm cũng cho thấy vật liệu vẫn ổn định trong các điều kiện khác nhau, bao gồm nhiệt độ cao, không khí ẩm và nước. Khám phá này có thể giúp SOFC hoạt động ở nhiệt độ thấp hơn, khiến chúng rẻ hơn, bền hơn, dễ sử dụng hơn trong nhiều ứng dụng năng lượng khác nhau.

Nếu nghiên cứu sâu hơn xác nhận những kết quả này, vật liệu gốc rubidium có thể đóng vai trò quan trọng trong các công nghệ năng lượng sạch trong tương lai như pin nhiên liệu, cảm biến khí và chất xúc tác.

Vật liệu mới này chứa rubidium có thể cách mạng hóa công nghệ năng lượng bằng cách cải thiện hiệu suất và giá cả phải chăng của pin nhiên liệu oxit rắn, hỗ trợ quá trình chuyển đổi sang các nguồn năng lượng sạch hơn.