Tổng hợp vật liệu nền cấu trúc sợi nano

PGS. TS. Hồ Thị Thanh Vân và nhóm nghiên cứu
trong quá trình phát triển vật liệu nền cấu trúc nano. Ảnh: NVCC

Vật liệu nền cấu trúc nano do nhóm nghiên cứu tại trường Đại học Tài nguyên và Môi trường TP.HCM tổng hợp được gọi là Ti0.7W0.30₂ , Ti0.7Ir0.30₂.

Tìm lời giải cho bài toán nguyên liệu

Pin nhiên liệu (Fuel Cell) là loại pin không cần sạc sau mỗi lần sử dụng, có mức thải ô nhiễm gần như bằng 0 và có thể sử dụng không ngừng miễn là pin được tiếp nhiên liệu (Hidro/methanol và oxy) liên tục. Hiện nay, pin nhiên liệu đã được ứng dụng trong các lĩnh vực như sản xuất ô-tô, các thiết bị điện tử cầm tay để tạo ra các thiết bị thân thiện với môi trường.

Thông thường người ta vẫn sử dụng chất xúc tác để tăng tốc độ phản ứng điện cực, trong đó chất xúc tác hiệu quả nhất cho các phản ứng là Platinum hoặc hợp kim của Platinum với các kim loại khác. Nhược điểm của loại xúc tác này là giá thành cao và khả năng phân bố hạt kém, nên cần có các vật liệu nền cho hạt Platiunum bám vào để tăng diện tích tiếp xúc, thúc đẩy phản ứng điện hóa xảy ra tốt hơn ở hai cực. Hiện nay, Carbon là vật liệu nền được sử dụng rộng rãi do chúng có hạt xúc tác nhỏ và tương đối đồng đều, độ dẫn điện cao, ổn định hóa học tốt, giá thành rẻ, nhưng cũng có một số hạn chế nhất định như độ bền kém trong môi trường điện hóa và môi trường axit, lực tương tác rất yếu giữa Carbon và kim loại Platinum dẫn tới vật liệu xúc tác Platinum bị hòa tan, phân tách và kết tụ làm giảm hiệu suất và tuổi thọ của pin khi hoạt động lâu dài.

Mẫu pin nhiên liệu ứng dụng vật liệu nền cấu trúc nano Ti0.7Ir0.3O₂. Ảnh: NVCC

Việc tìm kiếm và phát triển vật liệu nền nhằm thay thế carbon vẫn là thách thức với các nhà nghiên cứu thế giới. Ở Việt Nam, một nhóm nghiên cứu cũng cố gắng đi theo hướng tiếp cận này. “Mục tiêu của chúng tôi là tìm kiếm một loại vật liệu mới bền hơn với môi trường điện hóa của pin và có thể cải thiện hoạt tính xúc tác của Platinum tốt hơn, trong khi cố gắng đáp ứng được những ưu điểm tương đương với Carbon”, PGS.TS. Hồ Thị Thanh Vân, trưởng nhóm nghiên cứu công nghệ nano và năng lượng tái tạo của Đại học Tài Nguyên và Môi trường TP.HCM, cho biết.

Các kết quả thử nghiệm của nhóm cho thấy Platinum xúc tác phủ trên vật liệu nền nano Ti0.7W0.3O₂ có độ bền cao hơn đáng kể so với vật liệu xúc tác Platinum/Carbon đang được thương mại. Thử nghiệm sử dụng phương pháp quét thế tuần hoàn (tuần hoàn điện thế của một điện cực làm việc và đo kết quả dòng điện) cho thấy trong 2.000 vòng quét thế tuần hoàn, hoạt tính xúc tác của vật liệu xúc tác Pt/Ti0.7W0.3O₂ trong pin nhiên liệu chỉ giảm khoảng 19%, thấp hơn gần 2 lần so với vật liệu nền carbon đen (khoảng 35%). Bên cạnh đó, nhóm nghiên cứu cũng tìm ra cơ chế chuyển điện tử từ vật liệu nền nano sang kim loại xúc tác Platinum dẫn tới lực tương tác mạnh giữa vật liệu và chất xúc tác.

Để tạo ra vật liệu nano này, họ dùng phương pháp thủy nhiệt - biến tính TiO₂ (oxit titan) bằng Vonfram, phản ứng được tiến hành ở nhiệt độ thấp (200⁰C) không sử dụng chất hoạt động bề mặt, chất ổn định và xử lý nhiệt sau phản ứng. Theo công bố nghiên cứu của nhóm trên tạp chí International Journal of Hydrogen Energy tháng 10/2018, Ti0.7W0.3O₂ có độ dẫn điện cao và kích thước hạt nhỏ (xấp xỉ 9 nm), diện tích bề mặt riêng lớn gần bằng với diện tích bề mặt riêng của vật liệu nền carbon đen (hiện được sử dụng rộng rãi trong pin nhiên liệu ~230 m²/g), giúp tăng khả năng phân tán kim loại xúc tác Pt (hoạt tính xúc tác) từ đó giảm lượng kim loại quý Platinum sử dụng trong pin nhiên liệu.

Mong muốn “đi đường xa”

Nhóm nghiên cứu công nghệ nano và năng lượng tái tạo được thành lập năm 2014, với 6 thành viên chính từ hai trường Đại học Tài nguyên và Môi trường TP.HCM và Đại học Bách khoa, Đại học Quốc gia TP.HCM. Nghiên cứu về pin nhiên liệu là lĩnh vực mới ở Việt Nam nên trong giai đoạn đầu mới thành lập, nhóm cũng gặp khá nhiều khó khăn trong việc triển khai các ý tưởng của mình. Ví dụ vấn đề mấu chốt là tìm loại vật liệu thích hợp trong khi mỗi chất có tỷ lệ, quy trình, cách thức tổng hợp khác nhau nên khi bắt đầu, nhóm đã phải thử và sai hàng trăm lần trước khi tìm được công thức phù hợp. Anh Hậu chia sẻ, có những lúc 2-3 tháng trời liên tiếp lên phòng thí nghiệm từ 7h sáng đến 8h tối nhưng hầu như không có kết quả như mong muốn. Chi phí bỏ ra cho những thí nghiệm không hề rẻ khi sử dụng muối kim loại H₂PtCl₆ để chế hạt nano. “Có những ngày gắn hoài không được, nhóm đã phải tốn cả vài triệu một lần như thế”, anh Hậu cho biết. Tuy nhiên, cả nhóm đều động viên nhau lấy lại tinh thần để đi tiếp. Mặc dù các thành viên ở hai trường đại học khác nhau, nhưng mọi người vẫn thường xuyên gặp mặt và lên phòng thí nghiệm ít nhất 3 lần/tuần, ai có ý tưởng thì đều chia sẻ ra để làm thử.

Những nghiên cứu về pin nhiên liệu của nhóm đã trải qua nhiều năm phát triển, bắt đầu bằng nguồn kinh phí đề tài NAFOSTED năm 2014 và đề tài cấp Sở KH&CN TP.HCM năm 2015. Việc tiếp cận nguồn lực cho nghiên cứu trên khá thuận lợi, nhóm nghiên cứu cho biết họ đã tìm kiếm thông tin trên website NAFOSTED về thời gian và cách thức đăng ký rồi tự tin nộp vào vì hướng nghiên cứu rất mới. Đến nay nhóm đã dần phát triển, đạt được những kết quả nhất định trong việc khẳng định vị thế nghiên cứu của mình. Riêng trong năm 2017-2018 đã công bố 10 bài báo quốc tế, trong đó có 4 công trình trên tạp chí ISI uy tín (nhóm Q1) về năng lượng và kỹ thuật hóa học.

Tháng 5/2019 vừa qua, đề tài “Nghiên cứu tổng hợp vật liệu nền cấu trúc nano Ti0.7W0.3O₂ cho xúc tác Platinum ứng dụng trong pin nhiên liệu” do nghiên cứu sinh Phạm Quốc Hậu làm chủ nhiệm đã được Trung tâm Phát triển Khoa học và Công nghệ Trẻ, Thành đoàn TP.HCM nghiệm thu (với 3 bài báo quốc tế). Trước đó, năm 2018, nghiên cứu sinh Huỳnh Thiên Tài, thành viên nhóm nghiên cứu, cũng nghiệm thu đạt loại xuất sắc đề tài “Nghiên cứu tổng hợp vật liệu nano mới Ir-doped TiO₂ làm chất nền cho xúc tác Platin (Pt) ứng dụng trong pin nhiên liệu” (với 3 bài báo quốc tế). Với những kết quả sơ bộ của hướng nghiên cứu vật liệu mới này, họ cũng được mời báo cáo tại Hội nghị quốc tế về An toàn năng lượng và Kỹ thuật hóa học (ESCHE 2019) tại Malaysia được tổ chức vào tháng 7/2019 tới.

Minh Anh