Tiêu thụ năng lượng toàn cầu đang tăng nhanh ở mức báo động. Có ba nguyên nhân chính: phát triển kinh tế nhanhh, tăng trưởng dân số, và sự phụ thuộc ngày càng tăng vào các thiết bị tiêu dùng năng lượng trên toàn thế giới.

Nhu cầu năng lượng tăng lên và nhiên liệu truyền thốnggây ô nhiễm môi trường, đã ảnh hưởng nghiêm trọng đến sức khỏe con người, an ninh năng lượng và môi trường. Người ta ước tính rằng thế giới cần nguồn cung năng lượng gấp đôi vào năm 2050, và điều tối quan trọng là chúng ta phải phát triển loại năng lượng mới để đáp ứng thách thức này.

Các pin nhiên liệu (fuel cell) thường sử dụng những điện cực bạch kim đắt tiền, vì thế, chất liệu thay thế phi-kim-loại có thể là một giải pháp giá rẻ cho vấn đề an ninh năng lượng. Pin nhiên liệu phóng điện bằng cách oxi hóa nhiên liệu thành nước, cung cấp năng lượng sạch và bền vững.

Hydro có thể được dùng làm nhiên liệu. Trước tiên, hydro bị tách thành các electron và proton. Sau đó dòng electron sinh ra điện năng, electron và proton kết hợp với oxy bị khử, tạo thành nước. Đây là sản phẩm phụ duy nhất.

Công nghệ này có hiệu suất chuyển đổi năng lượng cao, gần như không gây ô nhiễm, và có tiềm năng ứng dụng trên diện rộng. Tuy nhiên, phản ứng quan trọng sinh ra oxy bị khử trong pin nhiên liệu yêu cầu một chất xúc tác – thường dùng là một điện cực bạch kim. Thật không may, giá thành cao và nguồn cung có giới hạn đã ngăn cản việc sản xuất hàng loạt pin nhiên liệu cho thị trường.

Bạch kim đắt tiền có thể dùng làm điện cực, nhưng giá lại quá cao.

Kể từ thời các pin nhiên liệu bạch kim được chế tạo cho sứ mệnh mặt trăng Apollo năm 1960, các nhà nghiên cứu đã phát triển các chất xúc tác làm từ hợp kim bạch kim cùng với những kim loại rẻ tiền hơn. Tuy những hợp kim này có lượng bạch kim thấp hơn, nhưng sản xuất thương mại hàng loạt vẫn yêu cầu lượng lớn bạch kim. Chúng ta cần những điện cực ổn định, giá rẻ, năng suất cao đ ể có thể đưa pin nhiên liệu thành một giải pháp năng lượng khả thi quy mô lớn.

Trước đây chúng tôi đã phát hiện một loại chất xúc tác phi-kim-loại có chi phí thấp, được làm từ các ống nano cacbon và nitơ. Trong pin nhiên liệu loại cơ bản, chất xúc tác này hoạt động tốt hơn bạch kim, do các nguyên tử nitơ có khả năng nhận electron tốt hơn, sẽ giúp phản ứng oxy hóa-khử hiệu quả hơn. Các chất xúc tác cacbon phi-kim-loại này có thể giảm đáng kể chi phí sản xuất pin nhiên liệu. Tuy nhiên, chúng lại thường kém hiệu quả trong môi trường axit – thường gặp trong các pin nhiên liệu phổ thông.

Sử dụng các hợp chất cacbon có cấu trúc xốp để tăng diện tích bề mặt và các ống nano cacbon để tăng độ dẫn điện, nghiên cứu gần đây nhất của chúng tôi chứng minh được rằng, vật liệu nano của chúng tôi có thể xúc tác cho sự khử oxy với hiệu quả ngang bằng các chất xúc tác kim loại không quý hiếm, và với độ bền cao hơn. Chúng tôi đã ứng dụng thành công những chất xúc tác phi kim loại có chứa cacbon vào pin nhiên liệu, từ đó có thể xúc tiến thương mại hóa những pin nhiên liệu bền và giá thành hợp lý.

Bên cạnh ứng dụng trong pin nhiên liệu, những vật liệu nano cacbon phi kim loại này cũng là những điện cực hiệu quả trong pin năng lượng mặt trời giá rẻ, hoặc làm siêu tụ điện để dự trữ năng lượng, và hệ thống phân tách nước để tạo ra nhiên liệu. Vật liệu cacbon phi kim loại được sử dụng phổ biến, sẽ giúp tiết kiệm nhiên liệu tốt hơn và giảm khí thải độc hại, giảm phụ thuộc vào nguồn dầu mỏ. Trong tương lại gần, v ật liệu này có thể ảnh hướng đáng kể đến cuộc sống của chúng ta.

Liming Dai, Case Western Reserve University
Đại Hải biên dịch

Xem thêm: 

Bài Liên Quan

Quảng Cáo:

loading...

Clip hay: