Khi nhu cầu năng lượng trên thế giới tiếp tục tăng, một trong những công nghệ hứa hẹn nhất đang được khám phá là pin nhiên liệu. Pin nhiên liệu tạo ra điện bằng cách liên tục chuyển đổi nhiên liệu hóa học thành điện năng miễn là có nguồn cung cấp nhiên liệu. Nhiều người đã quen thuộc với pin nhiên liệu hydro, loại pin sản xuất điện và nước từ khí hydro.

Pin nhiên liệu oxit rắn (SOFC) nổi bật với hiệu suất cao, tuổi thọ hoạt động dài. Tuy nhiên, chúng thường yêu cầu nhiệt độ hoạt động cực cao, khoảng 700-800°C. Các hệ thống chế tạo để chịu được nhiệt độ này phải dựa vào các vật liệu chuyên dụng, đắt tiền, làm hạn chế phạm vi ứng dụng của công nghệ.

Trong nghiên cứu mới, vừa công bố trên tạp chí Nature Materials, nhóm nghiên cứu tại Đại học Kyushu thông báo họ tạo ra SOFC có khả năng hoạt động hiệu quả chỉ ở nhiệt độ 300℃. Thành tựu này có thể cho phép thiết kế SOFC ở nhiệt độ thấp, giá cả phải chăng, đẩy nhanh đáng kể quá trình chuyển đổi công nghệ này từ phòng thí nghiệm sang ứng dụng thực tế.

Trọng tâm 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 từ Đại học Kyushu, người đứng đầu nghiên cứu, giải thích việc giảm nhiệt độ hoạt động xuống 300℃ sẽ cắt giảm chi phí vật liệu, mở ra cánh cửa cho các hệ thống pin ở cấp độ người tiêu dùng. Tuy nhiên, chưa có loại ceramic nào có thể mang đủ proton nhanh như vậy ở điều kiện “ấm” như vậy. Vì vậy, nhóm nghiên cứu bắt đầu 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. Proton sẽ di chuyển giữa các nguyên tử này. Các nhà nghiên cứu tìm hiểu các tổ hợp vật liệu và chất pha tạp hóa học khác nhau - những chất có thể thay đổi đặc tính 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 đi qua chất điện phân, nhưng nó thường làm tắc nghẽn mạng tinh thể, làm chậm các proton. Nhóm nghiên cứu tìm kiếm các tinh thể oxit có thể chứa nhiều proton, cho phép chúng di chuyển tự do, sự cân bằng mà nghiên cứu mới của họ cuối cùng đã đạt được.

Nhóm nghiên cứu khám phá ra hai hợp chất, barium stannate (BaSnO3) và barium titanate (BaTiO3), khi pha tạp với nồng độ scandium (Sc) cao, có thể đạt độ dẫn proton chuẩn của SOFC là trên 0,01 S/cm ở 300℃, mức độ dẫn điện tương đương các chất điện phân SOFC phổ biến hiện nay ở 600-700℃.

Phân tích cấu trúc và mô phỏng động lực học phân tử cho thấy, các nguyên tử Sc liên kết các nguyên tử oxy xung quanh, tạo thành “xa lộ 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 được pha tạp nhiều, Giáo sư Yamazaki giải thích.

Dữ liệu động lực học cũng 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. Khám phá này đảo ngược sự đánh đổi giữa mức độ tạp chất và vận chuyển ion, mở ra hướng đi rõ ràng cho 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, như điện phân nhiệt độ thấp, bơm hydro và lò phản ứng chuyển đổi CO₂ thành các hóa chất có giá trị, từ đó nhân lên tác động của quá trình khử carbon. Công trình của nhóm nghiên cứu biến nghịch lý khoa học lâu đời thành giải pháp thiết thực, đưa năng lượng hydro giá cả phải chăng đến gần hơn với cuộc sống hằng ngày.