Sử dụng nhôm làm lớp bao phủ mặt ngoài titan để lưu trữ hyrdo

Các nhà khoa học Yves Chabal thuộc Đại học Texas, Hoa Kỳ, và Santanu Chaudhuri thuộc Đại học bang Washington, Hoa Kỳ, đã tìm ra hướng tiếp cận mới cho việc lưu trữ hydro. Phương pháp này sử dụng nhôm phủ bên ngoài titan, giúp quá trình lưu trữ và vận chuyển hydro trở nên kinh tế, thuận tiện hơn so với nhiều giải pháp hiện có. Kết quả nghiên cứu đã được công bố trực tuyến trên tạp chí Nature Materials, mở ra triển vọng cải thiện công nghệ nhiên liệu hydro trong tương lai. Trong tự nhiên, hydro thường tồn tại dưới dạng phân tử gồm hai nguyên tử liên kết với nhau, thay vì tồn tại độc lập như những nguyên tử riêng lẻ. Đặc điểm này khiến việc lưu trữ hydro trở nên phức tạp, bởi các phân tử hydro cần môi trường áp suất rất lớn hoặc nhiệt độ cực thấp để được giữ ổn định. Vì vậy, hydro chưa thể dễ dàng trở thành nhiên liệu phổ biến cho ô tô, đồng thời cũng chưa thể được sử dụng rộng rãi để cung cấp điện cho các hộ gia đình. Giải pháp của nhóm nghiên cứu bắt đầu bằng việc tạo một lớp nhôm bao phủ trên bề mặt kim loại titan, từ đó hình thành môi trường thuận lợi cho phản ứng xúc tác. Lớp vật liệu này có khả năng phá vỡ phân tử hydro thành những nguyên tử hydro đơn lẻ, thay vì giữ chúng trong trạng thái liên kết hai nguyên tử ban đầu. Nhờ cơ chế đó, hydro có thể tham gia các phản ứng hóa học với vật liệu lưu trữ, tạo nên một hệ thống bền hơn và dễ kiểm soát hơn. Trước đây, bạch kim thường được xem là chất xúc tác hiệu quả để phá vỡ liên kết hóa học giữa hai nguyên tử trong phân tử hydro. Tuy nhiên, bạch kim là kim loại quý hiếm, nguồn cung hạn chế, giá thành cao, khiến việc triển khai trên quy mô lớn trở nên thiếu thực tế. Chi phí này đặc biệt đáng lo ngại nếu công nghệ lưu trữ hydro được ứng dụng cho phương tiện giao thông hoặc các hệ thống cung cấp năng lượng dân dụng. Nhóm nghiên cứu cho biết titan pha tạp nhôm có thể kích hoạt hydro theo cách tương đương với tác dụng của những chất xúc tác đắt tiền như palađi. Kết quả còn cho thấy vật liệu này có đặc điểm tương tự một số hợp kim gần bề mặt, cũng như các mô hình kim loại kép chứa những kim loại quý hiếm. Đây được xem là lần đầu tiên khả năng kích hoạt hydro của titan pha tạp nhôm được chứng minh rõ ràng trong hướng nghiên cứu này. Trong cấu trúc vật liệu mới, titan giữ vai trò quan trọng vì thúc đẩy quá trình hình thành liên kết giữa hydro và nhôm. Những liên kết đó tạo ra hyđrua nhôm, một hợp chất có thể giữ hydro trong dạng phù hợp hơn cho mục đích lưu trữ. Cách tiếp cận này thay thế phần nào nhu cầu sử dụng kim loại quý, đồng thời hướng tới vật liệu có chi phí thấp và khả năng chế tạo thực tế hơn. Khi được dùng trong thiết bị lưu trữ nhiên liệu hydro, hyđrua nhôm có thể giải phóng hydro bằng một thao tác tương đối đơn giản là gia tăng nhiệt độ. Cơ chế giải phóng này giúp người vận hành chủ động kiểm soát thời điểm cung cấp hydro cho hệ thống sử dụng nhiên liệu. So với việc duy trì hydro ở áp suất cực lớn hoặc nhiệt độ cực thấp, phương án dựa trên phản ứng hóa học có thể giảm bớt yêu cầu kỹ thuật phức tạp. Phát hiện của Yves Chabal và Santanu Chaudhuri chưa biến hydro thành nhiên liệu thương mại ngay lập tức, nhưng cung cấp nền tảng vật liệu đáng chú ý cho các nghiên cứu tiếp theo. Lớp nhôm trên titan vừa hỗ trợ kích hoạt phân tử hydro, vừa tạo điều kiện hình thành hyđrua nhôm, qua đó kết hợp chức năng xúc tác với khả năng lưu trữ. Nếu tiếp tục được hoàn thiện, hướng nghiên cứu này có thể góp phần đưa công nghệ hydro đến gần hơn với các ứng dụng giao thông và cung cấp năng lượng trong đời sống.