Một số công nghệ năng lượng tiên tiến, như pin nhiên liệu, máy điện phân và một số thiết bị điện tử công suất thấp, sử dụng proton làm chất mang điện tích chính. Việc các thiết bị này có được sử dụng rộng rãi hay không, phụ thuộc phần lớn vào hiệu quả vận chuyển proton của chúng.
Một nhóm vật liệu được gọi là oxit kim loại, cho thấy khả năng dẫn proton ở nhiệt độ trên 400 độ C. Tuy nhiên, các nhà nghiên cứu vẫn gặp khó khăn trong việc tìm ra vật liệu tốt nhất để tăng khả năng dẫn proton ở nhiệt độ thấp hơn và cải thiện hiệu quả.
Mới đây, nhóm nghiên cứu tại MIT (Hoa Kỳ) phát triển mô hình, dự đoán khả năng di chuyển của proton trên nhiều oxit kim loại khác nhau. Trong một bài báo, họ xếp hạng các đặc điểm quan trọng nhất của oxit kim loại, để tạo điều kiện thuận lợi cho việc dẫn proton, và lần đầu tiên chứng minh độ linh hoạt của ion oxit trong vật liệu, ảnh hưởng đến khả năng dẫn proton như thế nào.
Các nhà nghiên cứu tin rằng, khám phá của họ có thể cung cấp cho các nhà khoa học và kỹ sư phát triển vật liệu hiệu quả hơn dùng trong các công nghệ năng lượng, được hỗ trợ bởi proton, vốn nhẹ hơn, nhỏ hơn và dồi dào hơn so với các chất mang điện phổ biến như ion lithium.
Proton hiện đang sử dụng rộng rãi trong các thiết bị điện phân để sản xuất hydro và trong pin nhiên liệu. Chúng cũng được kỳ vọng sử dụng trong các công nghệ lưu trữ năng lượng đầy hứa hẹn như pin proton, có thể sử dụng nước và vật liệu rẻ hơn so với pin lithium-ion.
Chất dẫn proton là vật liệu quan trọng trong các công nghệ chuyển đổi năng lượng để tạo ra điện sạch, nhiên liệu sạch, tổng hợp hóa chất công nghiệp sạch. Các chất dẫn proton vô cơ, có thể mở rộng quy mô và hoạt động ở nhiệt độ phòng cũng cần thiết cho điện toán lấy cảm hứng từ não bộ, tiết kiệm năng lượng.
Proton là trạng thái mang điện tích dương của hydro, chúng không có electron riêng, proton chỉ gồm hạt nhân trần. Do đó, proton có xu hướng bám vào đám mây electron của các ion lân cận, nhảy từ ion này sang ion khác. Trong các oxit kim loại, proton bám vào ion oxy, tạo thành liên kết cộng hóa trị, và nhảy đến ion oxy gần đó thông qua liên kết hydro. Sau mỗi lần nhảy, liên kết cộng hóa trị H-O sẽ xoay để ngăn proton di chuyển qua lại.
Những chuyển động nhảy và xoay đó, khiến các nhà nghiên cứu của MIT nghĩ rằng, độ linh hoạt của mạng ion oxit phải có vai trò rất quan trọng trong việc dẫn proton. Thật vậy, các nghiên cứu trước đây của họ về một chất dẫn proton khác đã chỉ ra tính linh hoạt của mạng lưới ảnh hưởng đến sự vận chuyển proton.
Để kiểm tra điều này, họ tạo ra một chỉ số để định lượng độ linh hoạt của mạng lưới trong các vật liệu khác nhau, gọi là “dao động O…O”, đo lường sự thay đổi khoảng cách giữa các ion oxy do phonon gây ra ở nhiệt độ hữu hạn. Họ cũng tạo ra tập dữ liệu về các đặc điểm vật liệu ảnh hưởng đến khả năng di chuyển của proton.
Các nhà nghiên cứu đã định lượng và xếp hạng tầm quan trọng của tất cả bảy đặc điểm mà họ nghiên cứu, bao gồm cả các đặc tính cấu trúc, hóa học của vật liệu, và huấn luyện một mô hình dựa trên các phát hiện để dự đoán khả năng dẫn proton của vật liệu.
Mô hình được huấn luyện dựa trên các đặc điểm này, xác định hai yếu tố quan trọng nhất đối với khả năng dẫn proton: chiều dài liên kết hydro và độ linh hoạt của mạng phụ oxy, được đặc trưng bởi chỉ số dao động O…O. Vật liệu có chiều dài liên kết hydro ngắn hơn, vận chuyển proton hiệu quả hơn, phù hợp các nghiên cứu trước đây về oxit kim loại. Chỉ số dao động O…O là yếu tố quan trọng thứ hai, cho thấy chuỗi ion oxy càng linh hoạt, khả năng dẫn proton càng tốt.
Các nhà nghiên cứu tin rằng, mô hình của họ có thể sử dụng để ước tính sự dẫn truyền proton trên nhiều loại vật liệu khác nhau và giúp xác định các ứng cử viên tiềm năng cho các ứng dụng năng lượng và điện toán, điều đó có thể mở ra thế hệ công nghệ năng lượng sạch và hiệu quả. Bài báo được đăng trên tạp chí Matter.
