Đột phá pin hydro từ Mỹ: chất xúc tác mới giúp pin chạy 200.000 giờ, bền gấp 7 lần mục tiêu

[Thảo Nông]

Giấc mơ về những chiếc xe tải đường dài chạy bằng hydro sạch, hiệu quả và bền bỉ vừa tiến một bước dài đến gần hơn với hiện thực. Các nhà khoa học tại Đại học California, Los Angeles (UCLA), Hoa Kỳ, do tiến sĩ Yu Huang đứng đầu, đã công bố một bước đột phá quan trọng trong công nghệ chất xúc tác cho pin nhiên liệu hydro. Phát minh này hứa hẹn kéo dài tuổi thọ hoạt động của pin lên tới hơn 200.000 giờ với mức tổn thất hiệu năng tối thiểu, giải quyết một trong những rào cản kỹ thuật lớn nhất ngăn cản sự phổ biến của công nghệ này trong ngành vận tải hạng nặng.

Bài toán độ bền của pin nhiên liệu hydro

Pin nhiên liệu hydro từ lâu được xem là giải pháp năng lượng sạch đầy tiềm năng cho các phương tiện vận tải đường dài. So với pin lithium-ion thông thường, chúng có ưu điểm là nhẹ hơn đáng kể và có thể "tiếp nhiên liệu" (nạp hydro) cực nhanh chỉ trong vài phút, tương tự như đổ xăng, giúp tối ưu hóa thời gian vận hành và tải trọng cho xe tải.

Tuy nhiên, điểm yếu chí mạng của pin nhiên liệu hydro truyền thống nằm ở độ bền của chất xúc tác – thường là hợp kim bạch kim (platinum). Chất xúc tác đóng vai trò cực kỳ quan trọng trong việc thúc đẩy phản ứng hóa học chuyển đổi hydro và oxy thành điện năng. Nhưng trong điều kiện vận hành khắc nghiệt của xe tải (với các chu kỳ tăng giảm điện áp liên tục), các hạt bạch kim trong chất xúc tác thông thường dễ bị rửa trôi hoặc kết tụ lại với nhau, làm mất dần diện tích bề mặt hoạt động và khiến hiệu suất pin suy giảm nhanh chóng theo thời gian.

Giải pháp "hạt trong hạt" siêu bền từ UCLA

Để khắc phục vấn đề này, nhóm nghiên cứu của UCLA đã thiết kế một cấu trúc chất xúc tác hoàn toàn mới theo kiểu "hạt trong hạt". Họ sử dụng các hạt nano bạch kim nguyên chất (có hoạt tính xúc tác cao) và bao bọc chúng bằng một lớp graphene siêu mỏng nhưng cực kỳ bền chắc về mặt cơ học và hóa học. Lớp vỏ graphene này hoạt động như một "áo giáp" bảo vệ, ngăn chặn các hạt bạch kim bị phá hủy hay trôi dạt trong quá trình vận hành. Toàn bộ các hạt nano được phủ graphene này sau đó được nhúng vào một chất nền carbon xốp đặc biệt (Ketjenblack), giúp phân tán đều và tăng cường khả năng dẫn truyền điện tử.

Kết quả thử nghiệm độ bền tăng tốc, mô phỏng điều kiện vận hành khắc nghiệt của xe tải với hơn 90.000 chu kỳ điện áp, đã vượt xa mong đợi. Chất xúc tác mới chỉ cho thấy mức tổn thất hiệu suất dưới 1,1% - một con số cực kỳ ấn tượng khi mức dưới 10% đã được xem là xuất sắc. Dựa trên kết quả này, các nhà khoa học ước tính tuổi thọ thực tế của pin nhiên liệu sử dụng chất xúc tác mới có thể đạt trên 200.000 giờ hoạt động (tương đương gần 23 năm chạy liên tục), gấp gần 7 lần mục tiêu 30.000 giờ mà Bộ Năng lượng Hoa Kỳ (DOE) đặt ra cho năm 2050.

Mở đường cho giao thông vận tải sạch

Thành tựu này không chỉ mang ý nghĩa đột phá về mặt kỹ thuật mà còn có tiềm năng ứng dụng thực tế to lớn. Hệ thống pin nhiên liệu mới vừa bền bỉ, vừa có công suất đầu ra cao (tương đương pin lithium-ion nhưng nhẹ hơn 8 lần), giúp hiện thực hóa việc chế tạo xe tải hạng nặng chạy hydro hiệu quả, có khả năng chở tải trọng lớn và tiếp nhiên liệu nhanh chóng.

Điều này đặc biệt quan trọng trong nỗ lực giảm phát thải carbon của ngành giao thông vận tải. Xe tải hạng trung và nặng, dù chỉ chiếm 5% số lượng xe, lại đóng góp tới gần 25% lượng khí nhà kính của ngành. Việc thay thế chúng bằng xe chạy pin nhiên liệu hydro (chỉ thải ra hơi nước) sẽ góp phần đáng kể vào cuộc chiến chống biến đổi khí hậu. Ngoài ra, hạ tầng hydro được cho là có thể rẻ và dễ mở rộng hơn hạ tầng trạm sạc điện công suất cực lớn cho xe tải.

Công trình nghiên cứu này, được công bố trên tạp chí uy tín Nature Nanotechnology, là thành tựu tiếp nối sau các nghiên cứu trước đó của nhóm về chất xúc tác bền bỉ cho xe hạng nhẹ, khẳng định hướng đi đúng đắn trong việc thiết kế vật liệu nano tiên tiến cho các hệ thống năng lượng sạch thế hệ mới.