Đột phá công nghệ mở đường cho điện hydro giá rẻ

Hydro từ lâu đã được xem là nguồn năng lượng sạch đầy tiềm năng để thay thế nhiên liệu hóa thạch. Tuy nhiên, việc triển khai pin nhiên liệu hydro ở quy mô lớn vẫn là thách thức vì chi phí cao và điều kiện vận hành khắc nghiệt. Loại pin nhiên liệu hydro phổ biến hiện nay, thuộc nhóm pin oxit rắn (SOFC), yêu cầu nhiệt độ hoạt động cực cao, dao động từ 700 đến 800°C (tương đương 1.292–1.472°F). Mức nhiệt này không chỉ làm tăng chi phí vật liệu chế tạo mà còn khiến việc ứng dụng rộng rãi trở nên khó khăn.

Một nghiên cứu vừa công bố trên tạp chí Nature Materials ngày 8/8 đã mở ra hướng đi mới. Nhóm nghiên cứu tại Đại học Kyushu (Nhật Bản) đã chế tạo thành công một loại pin nhiên liệu hydro mới chỉ cần vận hành ở 300°C (572°F), tức chưa đến một nửa mức nhiệt so với các pin SOFC truyền thống. Giáo sư Yoshihiro Yamazaki, tác giả chính của nghiên cứu, cho biết việc hạ nhiệt độ hoạt động xuống mức này sẽ giúp giảm đáng kể chi phí vật liệu và mở ra khả năng sản xuất hệ thống điện hydro ở quy mô tiêu dùng.

Để đạt được kết quả này, nhóm tập trung cải tiến lớp điện phân – bộ phận dạng gốm chứa cấu trúc tinh thể cho phép ion hydro tích điện dương (proton) di chuyển từ cực này sang cực kia, biến hydro thành điện năng và nước. Trong các pin SOFC thông thường, để proton di chuyển hiệu quả, pin phải duy trì nhiệt độ cực cao. Nhóm của Yamazaki đã thử thay đổi điều kiện này bằng cách thêm các nguyên tố hóa học đặc biệt (chemical dopants) vào cấu trúc oxit phù hợp, nhằm điều chỉnh tính chất vật liệu mà không làm proton chậm lại.

Thách thức nằm ở chỗ việc thêm tạp chất thường khiến mạng tinh thể bị “tắc nghẽn”, hạn chế tốc độ proton. Sau nhiều thử nghiệm, nhóm đã chọn được hai hợp chất chính: barium stannate và barium titanate. Khi được “pha” thêm nguyên tố scandium ở nhiệt độ 300°C, hai hợp chất này cho hiệu suất tương đương với các pin SOFC vận hành ở mức nhiệt gấp đôi.

Điểm đặc biệt là các nguyên tử scandium liên kết với nguyên tử oxy, tạo nên “con đường phân tử rộng và rung động mềm” giúp proton di chuyển dễ dàng với rào cản năng lượng thấp bất thường. Ngoài ra, hai hợp chất này mềm hơn so với vật liệu truyền thống, nhờ đó dễ dàng hấp thụ nguyên tố scandium, tối ưu quá trình dẫn proton.

Giáo sư Yamazaki nhận định: “Nghiên cứu của chúng tôi đã biến một nghịch lý khoa học tồn tại lâu nay thành giải pháp thực tế, đưa điện hydro giá rẻ tiến gần hơn tới đời sống hàng ngày.”

Dù mức 300°C vẫn cao hơn nhiều so với nhiệt độ phòng, đây là bước tiến lớn giúp giảm chi phí vận hành và mở đường cho những cải tiến tiếp theo. Nếu xu hướng hạ thấp nhiệt độ này tiếp tục, chúng ta hoàn toàn có thể kỳ vọng vào một tương lai mà pin nhiên liệu hydro rắn sẽ được ứng dụng rộng rãi, từ xe cộ cho đến các hệ thống phát điện gia đình, mang lại nguồn năng lượng sạch, bền vững và hiệu quả hơn.