Bước đột phá trong ngành năng lượng: Đại học Bách khoa Tomsk (TPU) chế tạo thành công vật liệu giúp đơn giản hóa việc lưu trữ hydro. Dự án có sự tham gia của các nhà khoa học đến từ Nga, Brazil và Đức.
Truyền thông Nga đưa tin ngày 13/11, các nhà khoa học thuộc Đại học Bách khoa Tomsk (TPU), trong khuôn khổ một nhóm hợp tác nghiên cứu quốc tế, đã chế tạo thành công một loại vật liệu composite dùng để lưu trữ hydro ở trạng thái rắn.
Nền tảng cốt lõi của công trình này là các vật liệu nano hai chiều MXene (maxene) do chính nhóm tác giả tự tổng hợp. Thông tin này được bộ phận báo chí của nhà trường chính thức công bố.
Để tạo ra hợp chất này, các nhà nghiên cứu đã áp dụng phương pháp trộn ướt. Kỹ thuật này giúp bảo toàn nguyên vẹn cấu trúc của vật liệu xúc tác và đặc biệt phù hợp để mở rộng quy mô sản xuất trong công nghiệp.
Tại sao nghiên cứu này lại cần thiết?
Từ lâu, hydro đã được xem là một nguồn năng lượng sạch đầy triển vọng của tương lai. Tuy nhiên, việc ứng dụng rộng rãi loại nhiên liệu này trên thực tế vẫn đang bị kìm hãm bởi những thách thức lớn trong khâu lưu trữ sao cho vừa an toàn vừa đạt hiệu quả cao.
Các phương pháp truyền thống như nén khí ở áp suất cao hoặc hóa lỏng ở nhiệt độ cực thấp đều tiêu tốn rất nhiều năng lượng và tiềm ẩn không ít rủi ro cháy nổ.
Chính vì vậy, giới khoa học ngày càng hướng sự chú ý sang các hợp chất hydride kim loại để lưu trữ hydro ở thể rắn. Trong số đó, magie hydride (MgH2) là một ứng cử viên rất hấp dẫn nhờ khả năng chứa lượng hydro lớn.
Dẫu vậy, vật liệu này lại tồn tại nhược điểm chí mạng là nhiệt độ giải phóng hydro (khử hydro) quá cao (lên tới trên 300 độ C) cùng tốc độ phản ứng (động học) diễn ra rất chậm, gây bất tiện khi vận hành thực tế.
Nhóm nghiên cứu đã làm gì và đạt được kết quả ra sao?
Để khắc phục rào cản trên, các nhà khoa học tại Tomsk đã chế tạo thành công một loại vật liệu composite dựa trên nền magie hydride, có bổ sung thêm thành phần phụ gia là các maxene gốc titan cacbua (Ti3C2).
Ảnh minh họa do AI thực hiện.
Ưu điểm then chốt của quy trình nằm ở phương pháp trộn ướt đơn giản trong dung môi isopropanol. Cách làm này giúp phân bố đều các tấm nano MXene siêu mỏng lên bề mặt các hạt magie hydride, đồng thời giữ nguyên được cấu trúc đặc trưng cũng như các nhóm chức hoạt tính bề mặt của chúng.
Các thí nghiệm kiểm tra cho thấy kết quả rất ấn tượng: chỉ cần bổ sung một lượng nhỏ khoảng 6% khối lượng maxene đã giúp hạ nhiệt độ bắt đầu quá trình giải phóng hydro từ mức 325 độ C xuống chỉ còn 218 độ C.
Bên cạnh đó, năng lượng hoạt hóa cho quá trình giải hấp thụ hydro của vật liệu composite cũng giảm mạnh từ 189kJ/mol xuống còn 70kJ/mol.
Đồng tác giả nghiên cứu, ông Sun Yichen nhấn mạnh rằng các chỉ số này thấp hơn đáng kể so với nhiều vật liệu tương tự vốn phải điều chế bằng các phương pháp tiêu tốn nhiều năng lượng hơn.
Về hiệu suất lưu trữ, loại composite chứa 6% khối lượng maxene đã chứng minh được độ ổn định cao qua 5 chu kỳ hấp thụ và giải phóng liên tục. Vật liệu duy trì được dung lượng lưu trữ hydro thuận nghịch ở mức trên 6% khối lượng - một con số rất gần với mức lý thuyết khoảng 7,6% khối lượng của magie hydride nguyên chất.
Trưởng nhóm dự án, ông Egor Kashkarov cho biết thêm, trong các vật liệu maxene tự tổng hợp, các nhà khoa học có thể chủ động hình thành những nhóm chức hoạt tính xúc tác mong muốn. Hơn nữa, vì quy trình chế tạo không sử dụng các công đoạn tiêu tốn nhiều năng lượng (như nghiền bi cơ học cường độ cao), công nghệ này sẽ dễ dàng được nhân rộng ra quy mô sản xuất lớn hơn nhiều.
Trong thời gian tới, nhóm nghiên cứu dự kiến sẽ tiến hành các thử nghiệm chu kỳ mở rộng nhằm đánh giá độ bền ổn định dài hạn của vật liệu, đồng thời đi sâu làm rõ cơ chế tác động xúc tác ở cấp độ vi mô. Công trình nghiên cứu quốc tế này có sự phối hợp chặt chẽ giữa các chuyên gia đến từ Đại học Bách khoa Tomsk (Nga), Đại học Liên bang Santa Catarina (Brazil) và Đại học Friedrich-Alexander Erlangen-Nürnberg (Đức).
