Một lý do chính dẫn đến chi phí cao của pin nhiên liệu là sự phụ thuộc vào các kim loại quý hiếm, đắt tiền như bạch kim, vốn rất cần thiết trong thiết kế pin nhiên liệu truyền thống. Giờ đây, các nhà khoa học phát triển phương pháp mới, loại bỏ nhu cầu sử dụng bạch kim, có khả năng làm cho pin nhiên liệu giá cả hợp lý hơn nhiều.
Trong pin nhiên liệu thông thường, phản ứng hóa học diễn ra trong điều kiện có tính axit cao. Các phản ứng này thực hiện chuyển đổi hydro thành điện năng. Tuy nhiên, chỉ một vài kim loại, chủ yếu là bạch kim, có thể hoạt động hiệu quả trong môi trường như vậy mà không bị phân hủy. Độ bền này đi kèm với giá thành cao, khiến việc triển khai quy mô lớn trở nên khó khăn.
Để giảm chi phí, các nhà nghiên cứu từ Đại học Cornell, Hoa Kỳ, nghiên cứu loại pin nhiên liệu hoạt động trong điều kiện kiềm thay vì axit. Trong môi trường ôn hòa hơn này, các kim loại phổ biến, rẻ tiền hơn như niken có thể được sử dụng. Ý tưởng này đầy hứa hẹn, nhưng nó gặp phải trở ngại lớn: tốc độ phản ứng chậm hơn, làm giảm hiệu suất tổng thể.
Bước đột phá mới nhất tập trung vào chất xúc tác được thiết kế đặc biệt, làm từ niken (Ni) được phủ lớp carbon rất mỏng. Lớp phủ này đóng vai trò then chốt. Trong khi niken nguyên chất có xu hướng bị phân hủy nhanh chóng thì lớp carbon bảo vệ nó khỏi bị hư hại, đồng thời vẫn cho phép các phản ứng cần thiết xảy ra.
Lớp phủ cực kỳ mỏng này, chỉ dày vài nguyên tử, nên nó không cản trở dòng electron. Thay vào đó, nó hoạt động như lớp bảo vệ, giữ cho niken ổn định và hoạt động tốt theo thời gian. Thiết kế thông minh này, cho phép pin nhiên liệu duy trì hiệu suất ổn định mà không cần dựa vào các vật liệu đắt tiền.
Các thử nghiệm cho thấy, chất xúc tác mới này có thể mang lại kết quả đáng kể. Khi kết hợp với một vật liệu giá rẻ khác cho phản ứng bổ sung trong pin nhiên liệu, hệ thống đạt được mức công suất đầu ra cao. Trên thực tế, hiệu suất của nó vượt quá các mục tiêu chính được đặt ra cho pin nhiên liệu thế hệ tiếp theo.
Đây là bước tiến quan trọng vì nó chứng minh các vật liệu giá cả phải chăng có thể sánh ngang, hoặc thậm chí vượt trội hơn so với các hệ thống truyền thống dựa trên bạch kim. Công trình nghiên cứu được công bố trên tạp chí Proceedings of the National Academy of Sciences.
Môi trường kiềm cho phép sử dụng các kim loại như niken, sắt, coban, mangan, rẻ hơn rất nhiều so với các kim loại quý như bạch kim, palladium, do đó chi phí không còn là vấn đề quan trọng. Nhưng điều đó có nghĩa, cần phát triển các chất xúc tác có thể hoạt động trong môi trường kiềm, có hiệu suất cao và độ bền lâu dài trong quá trình hoạt động, Giáo sư Héctor D. Abruña, Giáo sư Émile M. Chamot cho biết.
Việc phát triển pin nhiên liệu không chứa bạch kim có thể mang lại nhiều lợi ích. Chi phí thấp hơn có thể giúp xe chạy bằng hydro trở nên dễ tiếp cận hơn và giúp mở rộng các giải pháp năng lượng sạch ở các vùng sâu, vùng xa hoặc đang phát triển. Nó cũng làm giảm phụ thuộc vào các nguồn tài nguyên khan hiếm, giúp công nghệ này bền vững hơn.
Sự đổi mới này cho thấy cách thiết kế vật liệu thông minh có thể vượt qua các thách thức trong công nghệ năng lượng. Bằng cách kết hợp độ bền, hiệu quả và chi phí thấp, thiết kế mới đưa pin nhiên liệu không chứa bạch kim giá cả phải chăng đến gần hơn với việc sử dụng hằng ngày, hỗ trợ một tương lai năng lượng sạch hơn.
