Các kỹ sư tại Đại học Case Western Reserve, Hoa Kỳ, đã chế tạo pin điện hóa sử dụng plasma làm điện cực thay vì kim loại. Kết quả của nghiên cứu này đã được công bố trực tuyến trên Tạp chí The American Chemical Society. Công nghệ mới này đã mở ra hướng mới cho việc thiết kế và sản xuất pin và pin nh...
Các kỹ sư tại Đại học Case Western Reserve, Hoa Kỳ, đã chế tạo pin điện hóa sử dụng plasma làm điện cực thay vì kim loại.
Kết quả của nghiên cứu này đã được công bố trực tuyến trên Tạp chí The American Chemical Society.
Công nghệ mới này đã mở ra hướng mới cho việc thiết kế và sản xuất pin và pin nhiên liệu từ nhiên liệu hydro, vật liệu nano tổng hợp và các loại polyme.
"Plasma hình thành ở điều kiện môi trường xung quanh thường là những tia lửa: vốn không kiểm soát được, không ổn định và phá hủy", theo Mohan Sankaran, giáo sư kỹ thuật hóa học và là tác giả chính của nghiên cứu trên: Chúng tôi đã phát triển một nguồn plasma ổn định ở điều kiện áp suất khí quyển và nhiệt độ phòng, cho phép chúng tôi nghiên cứu và kiểm soát việc chuyển giao của các điện tử qua bề mặt chuyển tiếp giữa: plasma và một dung dịch điện phân.
Trong nghiên cứu này, các nhà khoa học đổ đầy pin điện hoá (thực chất hai lọ thuỷ tinh kết nối bằng ống thuỷ tinh) bằng dung dịch điện phân: ferixianua ka-li và clo-rua ka-li.
Ở cực âm (cathode), khí argon được bơm qua một ống thép không gỉ được đặt bên trên, cách dung dịch điện phân một khoảng ngắn. Một thành phần plasma nhỏ hình thành giữa ống thủy tinh và bề mặt chuyển tiếp.
Cực dương (Anode) là một miếng bạc (hoặc là clorua bạc). Khi dòng điện đi qua plasma, ferixianua bị mất điện tử nên biến thành feroxyanua.
Quan sát thông qua quang phổ tia cực tím, các nhà nghiên cứu có thể nhận thấy: các điện tử trong dung dịch đã bị mất mát theo một tỷ lệ tương đối ổn định và mỗi phân tử ferixianua bị mất đi sẽ biến thành một phân tử feroxyanua.
Khi gia tăng cường độ dòng điện, thì tỷ lệ mất mát điện tử cũng gia tăng theo. Thử nghiệm ở cả hai điện cực cho thấy dòng điện vẫn được duy trì.
Tuy nhiên, các nhà nghiên cứu đã phát hiện ra 02 nhược điểm:
Chỉ có khoảng 1 trong 20 điện tử đi qua plasma có tham gia trong phản ứng giảm. Các nhà nghiên cứu suy đoán rằng các điện tử bị mất đã được chuyển đổi thành các phân tử hydro trong nước, hoặc đã tham gia vào phản ứng khác mà hiện tại chưa được phát hiện. Nhóm nghiên cứu đang thiết lập các thử nghiệm mới để tìm hiểu hiện tượng này.
Ngoài ra, năng lượng cần thiết để hình thành plasma và tạo ra các phản ứng điện hóa cao, về thực chất là nhiều hơn so với lượng năng lượng cần thiết để tạo ra phản ứng với các âm cực kim loại.
Các nhà nghiên cứu nhận thấy mô hình đầu tiên trong nghiên cứu này có thể không hiệu quả như những gì mà hầu hết các ngành công nghiệp đòi hỏi, nhưng công nghệ này có tiềm năng được sử dụng trong nhiều ứng dụng khác nhau.
Cùng với Giáo sư Sankaran, Seung đã quét plasma trên một màng mỏng để giảm thiểu các ion dương kim loại tạo thành các hạt nano kim loại kết tinh theo mẫu.
"Mục tiêu là sản xuất ra các cấu trúc nano ở quy mô nhỏ, vốn có thể được thực hiện với kỹ thuật khắc hình (in đá) trong chân không (nhưng trong thí nghiệm này lại được thực hiện trong một căn phòng mở)", theo Seung.
Các nhà nghiên cứu hiện đang nỗ lực làm rõ: liệu điện cực plasma có thể thay thế các điện cực truyền thống, với các ứng dụng như: chuyển đổi hydro trong nước thành khí hydro trên một quy mô lớn, biến đổi khí CO2 thành nhiên liệu hữu ích và các chất hóa học như ethanol.
Các nhà nghiên cứu tiến hành tinh chỉnh các quá trình và thử nghiệm sự kết hợp tối ưu giữa: thiết kế điện cực và các phản ứng hóa học cho các ứng dụng khác nhau.
Đồng tác giả với Giáo sư Sankaran, trong nghiên cứu này gồm có: cựu sinh viên Carolyn Richmonds và Brandon Bartling; sinh viên Megan Witzke và Lee Seung Whan; 02 giáo sư kỹ thuật hóa học: Jesse Wainright và Chung-Chiun Liu.
Các kỹ sư tại Đại học Case Western Reserve, Hoa Kỳ, đã chế tạo một loại pin điện hóa sử dụng plasma làm điện cực thay cho kim loại truyền thống. Kết quả nghiên cứu được công bố trực tuyến trên Tạp chí The American Chemical Society, mở ra hướng tiếp cận mới cho thiết kế và sản xuất pin. Công nghệ này còn hướng tới pin nhiên liệu từ hydro, vật liệu nano tổng hợp cùng nhiều loại polyme, thay vì chỉ giới hạn trong cấu trúc điện cực quen thuộc.
Plasma hình thành tự nhiên ở điều kiện môi trường xung quanh thường xuất hiện như tia lửa, khó kiểm soát, thiếu ổn định và có thể gây phá hủy vật liệu. Giáo sư kỹ thuật hóa học Mohan Sankaran, tác giả chính nghiên cứu, cùng cộng sự đã phát triển nguồn plasma ổn định ở áp suất khí quyển và nhiệt độ phòng. Nhờ vậy, nhóm có thể nghiên cứu, kiểm soát quá trình điện tử đi qua bề mặt chuyển tiếp giữa plasma và dung dịch điện phân.
Mô hình thử nghiệm gồm một pin điện hóa thực chất tạo bởi hai lọ thủy tinh nối với nhau bằng ống thủy tinh, bên trong chứa dung dịch điện phân. Dung dịch này gồm ferixianua ka-li và clo-rua ka-li, hai thành phần giúp nhóm theo dõi rõ hơn các biến đổi điện hóa trong hệ thống. Tại cực âm, khí argon được bơm qua một ống thép không gỉ đặt phía trên, cách dung dịch một khoảng ngắn để tạo plasma.
Một vùng plasma nhỏ hình thành giữa ống thủy tinh và bề mặt tiếp xúc với dung dịch, đóng vai trò như chiếc cầu chuyển điện tử đặc biệt. Cực dương của pin là một miếng bạc hoặc clorua bạc, tạo thành cặp điện cực khác thường so với các thiết kế pin điện hóa phổ biến. Khi dòng điện chạy qua plasma, ferixianua mất điện tử và chuyển thành feroxyanua trong dung dịch.
Các nhà khoa học sử dụng quang phổ tia cực tím để quan sát quá trình, đồng thời nhận thấy điện tử trong dung dịch mất đi với tỷ lệ tương đối ổn định. Đáng chú ý, mỗi phân tử ferixianua bị mất điện tử tương ứng với một phân tử feroxyanua được hình thành trong phản ứng. Khi cường độ dòng điện tăng, tốc độ mất điện tử cũng tăng theo, cho thấy plasma có thể được điều chỉnh để kiểm soát phản ứng.
Thử nghiệm trên cả hai điện cực cho thấy dòng điện vẫn được duy trì, chứng minh plasma có thể tham gia một cách thực tế vào hoạt động điện hóa. Tuy nhiên, hệ thống mới bộc lộ một hạn chế lớn: chỉ khoảng một trong 20 điện tử đi qua plasma thực sự tham gia phản ứng khử. Nhóm nghiên cứu suy đoán những điện tử còn lại có thể biến đổi thành phân tử hydro trong nước hoặc tham gia phản ứng khác chưa được phát hiện.
Các nhà khoa học đang thiết lập thêm thử nghiệm để làm rõ số phận của lượng điện tử thất thoát, đồng thời đánh giá chính xác hiệu suất toàn hệ thống. Một nhược điểm khác nằm ở nhu cầu năng lượng cao, bởi việc tạo plasma và thúc đẩy phản ứng điện hóa cần nhiều năng lượng hơn so với điện cực kim loại. Vì thế, mô hình đầu tiên chưa đạt hiệu quả mà phần lớn ngành công nghiệp đòi hỏi, nhưng vẫn sở hữu tiềm năng trong nhiều ứng dụng chuyên biệt.
Cùng Giáo sư Sankaran, Seung đã quét plasma trên một màng mỏng để khử các ion dương kim loại, từ đó tạo những hạt nano kim loại kết tinh theo mẫu. Seung cho biết mục tiêu là sản xuất cấu trúc nano quy mô nhỏ trong căn phòng mở, thay cho kỹ thuật khắc hình trong chân không. Nhóm hiện nghiên cứu khả năng dùng điện cực plasma để sản xuất hydro từ nước, chuyển CO2 thành nhiên liệu hữu ích như ethanol, đồng thời tối ưu thiết kế điện cực và phản ứng hóa học.
