Chế tạo thiết bị lưu trữ hydro ở nhiệt độ phòng

Các nhà khoa học tại Học viện Công nghệ Massachusetts (MIT), Hoa Kỳ đã tìm ra cách thức mới ít tốn kém cho phép lưu trữ các chất khí dễ bay hơi ở nhiệt độ phòng bằng vật liệu carbon.

Khí Hydro từ lâu đã được coi là một giải pháp thay thế đầy hứa hẹn cho các nhiên liệu hóa thạch, cung cấp năng lượng cho các xe ô tô, xe tải và thậm chí cả các hộ gia đình. Nhưng một chướng ngại vật chính là chưa tìm thấy loại vật liệu nhẹ, bền chắc và rẻ tiền để có thể lưu trữ các nguyên tử khí Hydro bé xíu rất nhẹ vốn có thể dễ dàng thoát ra khỏi vật chứa đựng nó.

Tuy nhiên, theo kết quả nghiên cứu mới từ các nhà khoa học ở Học viện Công nghệ Massachusetts(MIT), Hoa Kỳ, và các đồng nghiệp: một lớp vật liệu được coi là một ứng cử viên đầy hứa hẹn cho việc lưu trữ các nguyên tử khí Hydro là: than hoạt tính kết hợp chất xúc tác bạch kim, vì vậy nguyên tử hydro có thể liên kết trực tiếp với bề mặt của các hạt carbon và sau đó được lấy ra sử dụng khi cần thiết. Một thiết bị lưu trữ như vậy tiết kiệm hơn so với công nghệ lưu trữ khí Hydro hiện đang được sử dụng: Các phương pháp hóa lỏng khí Hydro đòi hỏi hệ thống các thiết bị lưu trữ phức tạp, tiêu tốn năng lượng và vật liệu cách nhiệt chuyên dụng để duy trì một nhiệt độ âm 423 độ F, hoặc lưu giữ khí Hydro dưới áp lực cao, đòi hỏi vật liệu chứa đựng khí Hydro hóa lỏng phải đủ vững chắc để chịu được áp lực lên đến 5.000 đến 10.000 pounds mỗi inch vuông (psi).

Lưu giữ hydro bằng một loại vật liệu xốp, giống như bọt biển, chẳng hạn như một hydride kim loại hoặc than hoạt tính làm cho nó có thể sử dụng trong điều kiện áp lực bình thường của môi trường xung quanh và nhiệt độ phòng, hay trong bể chứa, dẫn tới chi phí rẻ hơn và an toàn hơn.

Phần khó khăn của việc thiết kế các thiết bị như vậy là việc tìm kiếm một phương tiện lưu trữ bảo đảm giữ cho: các nguyên tử hydro đủ chặt chẽ để chúng không bị rò rỉ đi, nhưng không quá chặt chẽ để có thể lấy ra sử dụng khi cần thiết.

Theo nhà nghiên cứu Gieo-Hsin Chen, làm việc tại MIT, tác giả của một bài báo mô tả phương pháp mới giải thích: "Bạn có để có thể lưu trữ khí hydro (ở nhiệt độ phòng), và dễ dàng giảm áp lực để lấy nó nó khi bạn cần".

Giáo sư Gieo-Hsin Chen và tiến sĩ Yun Liu

Một thiết bị lưu trữ như thế này có thể là chìa khóa để làm cho những chiếc xe chạy bằng hydro trở nên thiết thực và mang lại hiệu quả kinh tế, và đây là một mục tiêu nghiên cứu quan trọng của Bộ Năng lượng Mỹ (DoE). Nhiên liệu hydro có thể được chiết tách từ nước (H₂O), nhiên liệu sau đó sẽ được "đốt cháy mà không có bất kỳ khí thải gì ngoại trừ hơi nước".

Hiện nay, một phương pháp đã được chứng minh bởi một nhóm nghiên cứu dẫn đầu bởi Chen giáo sư danh dự tại Khoa Khoa học và Kỹ thuật hạt nhân, Học viện Công nghệ Massachusetts (MIT) Hoa Kỳ và Tiến sĩ Yun Liu cựu sinh viên hiện đang làm việc tại Viện Tiêu chuẩn và Công nghệ quốc gia Hoa kỳ và Đại học Delaware, Hoa Kỳ và các nhà nghiên cứu tại Viện nghiên cứu Năng lượng hạt nhân Đài Loan (bao gồm cả tác giả chính Cheng-Si Tsao, nhà khoa học thỉnh giảng tại MIT làm việc với Chen trong một năm), Đại học Quốc gia Thanh Hoa tại Đài Loan và Đại học bang Pennsylvania Hoa Kỳ.

Kết quả của nghiên cứu này đã được đăng tải trực tuyến trên Tạp chí Physical Chemistry Letters.

Nhóm nghiên cứu đã phân tích khả năng lưu trữ hydro của than hoạt tính bằng cách sử dụng một kỹ thuật được gọi là neutron tán xạ không đàn hồi, theo các nhà nghiên cứu đây là kỹ thuật duy nhất có khả năng xác định: liệu rằng mẫu hydro được lưu trữ là các nguyên tử hydro đơn lẻ hay là các phân tử H₂. Cách tiếp cận này cũng giúp đánh giá sự tương tác của khí hydro với các vật liệu liệu lưu trữ.

Sử dụng phương pháp này, họ đã có thể cung cấp bằng chứng thuyết phục, lần đầu tiên, khí hydro được lưu trữ trong thiết bị mới rẻ tiền như là kết quả của một hiện tượng gọi là hiệu ứng lan tỏa, trong đó nguyên tử hydro nhờ sự hiện diện của các hạt bạch kim như một chất xúc tác - phân tách các phân tử hydro và khuếch tán chúng bám vào bề mặt cácbon. Nhiều nhà nghiên cứu khác đã nghi ngờ kết luận rằng: hiệu ứng lan tỏa đã được tham gia vào quá trình này, nhưng họ đã không thể chứng minh nghi ngờ của mình là chính xác. "Mặc dù khái niệm này đã được đề xuất, nhưng đã có rất nhiều cuộc tranh luận về nó trong cộng đồng", Liu nói.

Phương pháp phân tích mới giúp tinh chỉnh các tính chất của vật liệu than hoạt tính để tăng khả năng lưu trữ của nó, Chen nói. Điều quan trọng là phải tìm ra kích thước và nồng độ tối ưu cho các hạt bạch kim và carbon, ông nói thêm. Cuối cùng, các nhà nghiên cứu cũng hy vọng sẽ tìm ra một chất xúc tác mới hiệu quả hơn và ít tốn kém hơn bạch kim.

Hệ thống lưu trữ này được điều chỉnh một lần để đạt được dung lượng mong muốn, có khả năng lưu giữ hydro dưới áp lực vừa phải (có thể khoảng 500 psi), sau đó phát thải khí hydro theo yêu cầu chỉ đơn giản bằng cách giải phóng áp lực, Chen nói. "Khi bạn phá vỡ các phân tử hydro thành các nguyên tử’bằng cách sử dụng hiệu ứng lan tỏa, các nguyên tử khí hydro liên kết với vật liệu chứa nó với năng lượng bẻ gẫy liên kết ít hơn, để bạn có thể giảm áp lực lấy các nguyên tử khí hydro ra dễ dàng khi cần", Chen nói thêm.

Ralph Yang, một giáo sư kỹ thuật hóa học tại Đại học Michigan, Hoa Kỳ, người không tham gia trong nghiên cứu này, cho biết nhóm nghiên cứu đã có thể cho thấy bằng chứng trực tiếp của một lượng đáng kể hydro di chuyển từ các hạt nano bạch kim đổ sang chất nền carbon ở điều kiện nhiệt độ phòng, một điều mà những nhà nghiên cứu khác đã không thể chứng minh. Yang cho biết thêm, "Kết quả của nghiên cứu này là nền tảng rất quan trọng cho sự phát triển trong lương lai" của thiết bị lưu trữ khí hydro ở nhiệt độ phòng.