Chuyển hóa các chất hóa học thành năng lượng điện bằng điện phân là nền tảng để thực hiện các nguồn năng lượng không phát thải mới. Trong số các nguồn năng lượng mới này, pin nhiên liệu có thể tạo ra điện, nhưng thường thì khá nặng. Giảm trọng lượng nguồn điện giúp đạt được các xe pin nhiên liệu tiết kiệm năng lượng hơn. Do đó, các nhà nghiên cứu đang nỗ lực thiết kế các điện phân nhẹ, chẳng hạn như các polymere có thể tạo thành màng điện phân, có thể duy trì trạng thái ổn định trong điều kiện phát điện.
(Hình ảnh từ: Phòng thí nghiệm Oak Ridge)
Theo các báo cáo từ phương tiện truyền thông nước ngoài, nhóm nghiên cứu từ Bộ Năng lượng Hoa Kỳ, Phòng thí nghiệm Quốc gia Oak Ridge, Phòng thí nghiệm Quốc gia Sandia và Đại học Clemson đã phát hiện ra một phương pháp kiểm soát cấu trúc màng điện phân polymer thông qua việc nghiên cứu sự kết hợp giữa tán xạ neutron và mô hình tính toán, giúp cải thiện hiệu suất và tuổi thọ của thiết bị phát điện năng lượng sạch.
Nhà nghiên cứu tán xạ neutron tại ORNL và nhà nghiên cứu thiết bị của lò phản ứng đồng vị tốc độ cao (HFIR) Hilin He cho biết: “Trong những màng này, ion hình thành cụm để hỗ trợ việc truyền proton. Hiểu rõ hơn về những thay đổi xảy ra trong các cụm này khi tiếp xúc với dung môi sẽ góp phần phát triển vật liệu tối ưu hóa để đạt được các giải pháp năng lượng sạch tốt hơn.”
Nhóm nghiên cứu phát hiện rằng khi thêm ethanol, dung môi và nhiên liệu tiềm năng cho phát điện năng lượng sạch, họ có thể điều chỉnh cụm ion, từ đó kiểm soát tính dẫn điện và tính chất cơ học của polymer. Giáo sư hóa học và vật lý tại Đại học Clemson, Dvora Perahia cho biết: “Sử dụng dung môi thông thường, chúng tôi cơ bản có thể kiểm soát sự hình thành các cụm ion. Khả năng hình thành các cụm có kích thước và hình dạng có thể kiểm soát là điều quan trọng để thiết kế màng điện phân nhẹ hiệu quả cho ứng dụng năng lượng sạch, và tán xạ neutron rất quan trọng trong việc xác định hành vi của các cụm này.”
Nhờ vào các đặc tính độc đáo của neutron, các nhà nghiên cứu có thể nhận diện những thay đổi xảy ra khi proton và nước khuếch tán trên các màng này để tạo ra điện. Họ sử dụng neutron từ HFIR để hiểu sâu hơn về các vật liệu như màng điện phân polymer. HFIR cung cấp nguồn neutron ổn định, là nguồn neutron mạnh nhất từ một lò phản ứng ở Hoa Kỳ.
Để đạt được kết quả, nhóm nghiên cứu đã kết hợp việc tán xạ neutron góc nhỏ HFIR với nghiên cứu tính toán tại Trung tâm Tính toán Nghiên cứu Năng lượng Quốc gia (NERSC) tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Lawrence Berkeley. Qua những tính toán này, nhóm có thể hình dung cách ethanol thay đổi các cụm ion. Những tính toán này giúp xác định rằng các phân tử ethanol bao quanh ion và mở các cụm, đủ để vật liệu tổ chức theo cách ổn định hơn.
Nhà vật lý tính toán tại Trung tâm Công nghệ Nano Quốc gia Sandia, Gary S. Grest cho biết: “Chúng tôi có thể đo lường các đặc tính khác nhau của vật liệu tính toán, rồi so sánh các kết quả này với những gì thu được từ tán xạ neutron, điều này cho phép chúng tôi xác định độ chính xác của mô phỏng và có thể sử dụng nó để hiểu các chi tiết nguyên tử ở quy mô nhỏ, từ đó dự đoán tính chất của các vật liệu mới.”