Chế tạo nhiên liệu rẻ tiền bằng phương pháp ALD

Các nhà khoa học tại Đại học Aalto, Phần Lan, tuyên bố đã phát triển phương pháp ALD, mở ra hướng chế tạo tế bào nhiên liệu chất lượng cao hơn với chi phí vật liệu thấp hơn. Nghiên cứu này tập trung vào cách bố trí một màng mỏng đặc biệt trên bề mặt điện cực, thay vì phủ lượng lớn bột kim loại quý như những phương pháp phổ biến hiện nay. Kết quả được công bố trên Tạp chí “the Journal of Physical Chemistry C”, thu hút sự chú ý bởi khả năng tiết giảm đáng kể lượng chất xúc tác đắt tiền trong tế bào nhiên liệu. Tế bào nhiên liệu thường bị nhầm với pin hoặc ắc quy, nhưng ba loại thiết bị này có nguyên lý hoạt động và khả năng lưu trữ năng lượng khác nhau. Khác với pin và ắc quy, tế bào nhiên liệu không tích điện để sử dụng dần, mà tạo ra điện liên tục khi nhiên liệu cùng oxy được cung cấp từ bên ngoài. Cách vận hành này khiến tế bào nhiên liệu trở thành một hệ thống chuyển đổi năng lượng, trong đó phản ứng hóa học diễn ra đều đặn khi nguồn cung nhiên liệu vẫn được duy trì. Trong những tế bào nhiên liệu được sử dụng phổ biến nhất, cực dương thường được phủ một lớp bột chứa các hạt kim loại quý, vì những vật liệu này phản ứng hiệu quả với nhiên liệu. Lớp xúc tác giữ vai trò thúc đẩy các phản ứng cần thiết, giúp quá trình chuyển đổi nhiên liệu thành điện năng diễn ra thuận lợi hơn trong thiết bị. Tuy nhiên, kim loại quý có giá thành cao, khiến phần xúc tác trở thành một trong những yếu tố làm tăng chi phí chế tạo và triển khai tế bào nhiên liệu. Nhóm nghiên cứu tại Đại học Aalto đã lựa chọn kỹ thuật bố trí lớp nguyên tử, thường được gọi tắt là ALD, để tạo ra một màng mỏng trên bề mặt cần phủ. Phương pháp này cho phép vật liệu được sắp xếp theo từng lớp nguyên tử kiểm soát, nhờ đó lượng kim loại quý sử dụng có thể giảm mà vẫn duy trì chất lượng cần thiết. Thay vì phủ dày hoặc phân bố thiếu đồng đều, ALD hướng tới việc đưa vật liệu xúc tác đến đúng vị trí, tạo bề mặt hoạt động hiệu quả hơn. Theo kết quả được nêu trong nghiên cứu, kỹ thuật ALD giúp tiết giảm hơn 60% lượng chất xúc tác hạt nano kim loại quý cung cấp cho tế bào nhiên liệu so với các phương pháp hiện nay. Mức giảm này có ý nghĩa rõ rệt, bởi chất xúc tác kim loại quý thường góp phần lớn vào giá thành của những thiết bị chuyển đổi năng lượng dạng này. Khi sử dụng ít vật liệu đắt tiền hơn, quá trình sản xuất có thể trở nên tiết kiệm hơn mà vẫn hướng tới các tế bào nhiên liệu có chất lượng cao. Công nghệ ALD không chỉ chú trọng lượng vật liệu được sử dụng, mà còn kiểm soát cách các lớp vật chất hình thành trên bề mặt điện cực. Khả năng điều chỉnh màng mỏng theo từng lớp giúp các nhà nghiên cứu khảo sát chính xác hơn mối liên hệ giữa cấu trúc xúc tác, hiệu suất phản ứng và chất lượng tế bào nhiên liệu. Đây là điểm khác biệt quan trọng so với cách phủ bột kim loại quý thông thường, vốn có thể cần lượng vật liệu lớn hơn để đạt hiệu quả mong muốn. Hiện nay, các nhà nghiên cứu đang thử nghiệm phương pháp ALD với những tế bào nhiên liệu sử dụng cồn làm nhiên liệu, thay vì chỉ tập trung vào hệ thống hydro. Trong các thử nghiệm này, chất xúc tác palađi được sử dụng để thay thế bạch kim, vật liệu vốn thường xuất hiện trong các tế bào nhiên liệu hydro thông thường. Việc khảo sát palađi cho thấy nhóm nghiên cứu đang tìm kiếm thêm lựa chọn vật liệu xúc tác, đồng thời mở rộng phạm vi ứng dụng của phương pháp bố trí lớp nguyên tử. Nghiên cứu của Đại học Aalto cho thấy ALD có thể trở thành công cụ quan trọng trong nỗ lực giảm chi phí vật liệu cho tế bào nhiên liệu. Phương pháp này chưa làm thay đổi nguyên lý hoạt động của tế bào nhiên liệu, nhưng cải thiện cách cung cấp lớp xúc tác, từ đó giảm hơn 60% lượng hạt nano kim loại quý cần thiết. Những thử nghiệm với tế bào nhiên liệu cồn và chất xúc tác palađi sẽ tiếp tục cung cấp dữ liệu về khả năng ứng dụng của kỹ thuật này trong các thiết kế khác nhau.