Cơ quan chấn hưng khoa học kĩ thuật (JST) Nhật Bản ngày 18/12/2013 đã phát biểu nghiên cứu làm sáng tỏ tầm quan trọng của việc sử dụng phân tử nước gần bạch kim, chất được sử dụng làm chất xúc tác trong quá trình phát triển tính năng của pin nhiên liệu.
Cùng với đưa ra kết quả này là phòng nghiên cứu dụng cụ gia tốc quốc gia (SLAC) của trường đại học Stanford. Nội dung chi tiết được đăng tải tại ‘Nature Comunications’.
Pin nhên liệu cung cấp điện dựa vào phản ứng của không khí và nhiên liệu ( Hidro hoặc Methanol). Pin nhiên liệu dạng điện phân cao phân từ có thể sử dụng được ở nhiệt độ thường, ngày càng thu nhỏ về kích thước cũng như khối lượng và đang được kì vọng sẽ có thể sử dụng rộng rãi trong ô tô cũng như điện thoại di động. Pin nhiên liệu dạng này cung cấp các điện cực (cực âm và cực dương) tách biệt giữa không khí và nhiên liệu bởi chất điện phân cao phân tử. Hiện nay, bạch kim cũng đang được sử dụng như là chất xúc tác để thúc đẩy các phản ứng trong pin nhiên liệu dù giá thành khá cao. Đặc biệt, đối với phản ứng oxy hóa khử ở cực dương thì cần 1 lượng bạch kim khá lớn. Chính vì vậy, việc sử dụng linh hoạt phản ứng này có thể xem như chìa khóa để nâng cao tính năng của pin nhiên liệu. Phản ứng oxy hóa khử được tiến hành bằng cách sử dụng gốc Hidro đã kết hợp với bạch kim làm thể trung gian. Tuy nhiên, vẫn còn nhiều điểm chưa rõ ràng trong kết cấu phân tử và giải thích vấn đề này đang trở thành mối quan tâm rất lớn.
Nhóm nghiên cứu đã sử dụng tia X được phát bởi thiết bị phát ánh sáng để tìm hiểu những hoạt động của các loại oxy (Nguyên tử oxy, gốc Hidroxyl, hay phân tử nước) kết hợp với chất xúc tác bạch kim ở dương cực trong phản ứng oxy hóa khử. Cụ thể, nhóm đã tự chế tạo ra thiết bị môi trường được chế ngự bởi quang điện tử phổ có độ nhạy cảm cao nhất thế giới. Cùng với việc phân tích tia quang điện tử được phát ra sau khi bức xạ tia X trong quá trình hoạt động ở cực dương của pin nhiên liệu, nhóm đã quan sát được phản ứng xúc tác tại cực dương.
Từ kết quả quan sát được, sau khi phân biệt các loại Oxy kết hợp với bề mặt nguyên tử của chất xúc tác, đã xác định được gốc Oxy trong thể trung gian của phản ứng oxy hóa khử. Hơn thế, cũng đã phát hiện sự tồn tại đồng thời của 2 loại hidroxyl ngậm nước kết hợp với cả phân tử nước và nguyên tử bề mặt bạch kim, và hidroxyl không ngậm nước chỉ kết hợp với với nguyên tử bề mặt bạch kim. Đặc biệt,với lượng phân tử nước kết hợp với bạch kim rất ít, chúng ta vẫn có thể nhận được nguồn động lực lớn. Cuối cùng, vấn đề nhiều các gốc hidroxyl không ngậm nước kết hợp với bạch kim cũng được làm sáng tỏ.
Bằng cách sử dụng máy đo trạng thái điện tử, nhóm cũng phát hiện ra tự tồn tại 2 quy trình là quy trình phản ứng khử oxy của gốc hydroxyl không ngậm nước có tính linh hoạt cao và quy trình của gốc hidroxyl ngậm nước có tính linh hoạt thấp. Có nghĩa là, thí nghiệm lần này đã cho chúng ta thấy quy trình phản ứng oxy hóa khử của nhóm hidroxyl chính ta chìa khóa để cải thiện suất điện động và năng lượng suất ra của pin nhiên liệu. Từ kết quả này, để có thể nâng cao hiệu suất quá trình phản ứng oxy hóa khử thì việc chế ngự lượng phân tử nước gần chất xúc tác bạch kim là rất cần thiết.
Trong phát biểu lần này, nhóm nghiên cứu cũng chỉ ra rằng hydrat hóa của bề mặt chất xúc tác của thể trung gian trong phản ứng oxy hóa khử sẽ quyết định quy trình và hiệu xuất phản ứng oxy hóa khử ở cấp độ phân tử. Và sau này, việc chế ngự hàm lượng nước gần chất xúc tác và tối ưu hóa quy trình của phản ứng oxy hóa khử là 1 trong những phương pháp tiếp cập nhằm nâng cao tính năng của pin nhiên liệu. Đây cũng là phương pháp đang được kì vọng sẽ làm giảm giá thành các loại pin nhiên liệu cao phân tử thể rắn và giảm thiểu lượng sử dụng kim loại quý bạch kim.
Người dich: Bùi Linh
Nguồn: Mynavi
