Theo các phương tiện truyền thông nước ngoài, các nhà nghiên cứu tại Đại học Nagoya của Nhật Bản đã công bố khái niệm thiết kế điện phân mới cho pin nhiên liệu. Khái niệm đổi mới này sử dụng polymer phosphonic với các nhóm khoảng cách hydrocacbon, cho phép pin nhiên liệu hoạt động hiệu quả trong điều kiện nhiệt độ cao (trên 100℃) và độ ẩm thấp, từ đó giải quyết vấn đề cản trở việc sử dụng rộng rãi pin nhiên liệu.
(Nguồn ảnh: Đại học Nagoya)
Pin nhiên liệu tạo ra điện năng thông qua phản ứng điện hóa giữa hydro và oxy, chỉ thải ra nước, đóng vai trò quan trọng trong lĩnh vực năng lượng sạch. Tuy nhiên, pin nhiên liệu thường sử dụng polymer perfluorosulfonic, loại chất này tồn tại trong môi trường và tích lũy trong cơ thể sinh vật, thúc đẩy nhiều quốc gia thực hiện các biện pháp quản lý.
Khác với PFAS, polymer hydrocacbon phosphonic không chứa fluor và ít có khả năng tồn tại bền vững trong môi trường. Dưới điều kiện nhiệt độ cao và độ ẩm thấp, những polymer này cũng thể hiện sự ổn định hóa học vừa phải. Mặc dù có những ưu điểm này, nhưng tính dẫn điện kém và tính ưa nước của các nhóm phosphonic đã hạn chế sự sử dụng của chúng, có thể dẫn đến việc chúng bị phân hủy trong môi trường ẩm.
Để khắc phục những thách thức này, các nhà nghiên cứu đã đưa vào các nhóm khoảng cách kỵ nước giữa mạch polymer của polymer hydrocacbon phosphonic và các nhóm phosphonic, giúp chúng duy trì tính không hòa tan trong nước, độ ổn định hóa học, cũng như tính dẫn điện thích hợp ngay cả trong điều kiện nhiệt độ cao và độ ẩm thấp. Bên cạnh đó, các nhóm khoảng cách kỵ nước có khả năng hiệu quả trong việc đẩy nước ra, từ đó đảm bảo tính ổn định của vật liệu.
So với màng phosphonic polystyrene không có nhóm khoảng cách kỵ nước và màng polystyrene sulfonated chéo bán, màng mới cho thấy độ không hòa tan trong nước tăng rõ rệt trong nước nóng. Trưởng nhóm nghiên cứu Atsushi Noro cho biết, dưới điều kiện 120℃ và 20% độ ẩm tương đối, tính dẫn điện của màng được phát triển cao hơn 40 lần so với màng phosphonic polystyrene và cao hơn 4 lần so với màng polystyrene sulfonated chéo. Việc tìm kiếm một loại pin nhiên liệu có thể hoạt động trong điều kiện độ ẩm thấp và nhiệt độ cao sẽ mang lại nhiều lợi thế cho xe ô tô chạy bằng pin nhiên liệu:
Đầu tiên, phản ứng trên điện cực của pin nhiên liệu diễn ra nhanh hơn ở nhiệt độ cao hơn, từ đó cải thiện hiệu suất tổng thể của pin nhiên liệu và nâng cao hiệu suất phát điện.
Thứ hai, tình trạng ngộ độc carbon monoxide trên điện cực giảm. Bởi vì hàm lượng carbon monoxide vi lượng trong nhiên liệu hydro có thể hấp phụ lên chất xúc tác ở nhiệt độ thấp, nhưng sẽ không xảy ra ở nhiệt độ cao.
Thứ ba, khả năng tản nhiệt hiệu quả hơn ở nhiệt độ cao sẽ có lợi cho pin nhiên liệu. Điều này có thể đơn giản hóa thiết kế hệ thống làm mát, không cần ẩm hóa bên ngoài, từ đó làm cho hệ thống nhẹ hơn và gọn gàng hơn.
Khái niệm thiết kế màng điện phân được đưa ra trong nghiên cứu này sẽ góp phần phát triển thế hệ pin nhiên liệu tiếp theo, qua đó hỗ trợ sự chuyển đổi sang xã hội carbon trung tính. Các nhà nghiên cứu đã nộp đơn xin cấp bằng sáng chế cho các vật liệu liên quan đến ý tưởng thiết kế được đề xuất.