Đây là một sáng tạo có ý nghĩa lớn trong sứ mệnh giảm thiểu carbon dioxide và đưa các loại pin nhiên liệu thân thiện với môi trường đến gần hơn với thị trường sử dụng.

Nhóm nghiên cứu do GS Yushan Yan dẫn đầu trường Đại học Delaware (UD) dẫn đầu trong một báo cáo khoa học trên tạp chí Nature Energy ngày 3/2, giới thiệu chi tiết công nghệ này.

Pin nhiên liệu hoạt động bằng phương thức chuyển đổi trực tiếp năng lượng hóa học của nhiên liệu thành điện năng, được sử dụng trong các xe lai điện – nhiên liệu sạch hoặc xe điện (EV).

GS Yan, Chủ tịch Học bổng Henry Belin du Pont về Kỹ thuật Hóa học và Phân tử Sinh học đã có nhiều năm nghiên cứu những tế bào nhiên liệu màng trao đổi hydroxit (HEM), một giải pháp thay thế kinh tế và thân thiện với môi trường cho các tế bào nhiên liệu trên cơ sở axit truyền thống, đang được sử dụng ngày nay.

Nhưng một nhược điểm khiến pin nhiên liệu HEM không thể hoạt động trong thực tế, HEM cực kỳ nhạy cảm với carbon dioxide trong không khí. Về cơ bản, carbon dioxide khiến phản ứng hóa học trong pin nhiên liệu HEM diễn ra khó khăn.

Khiếm khuyết này nhanh chóng làm giảm công suất và hiệu suất của pin nhiên liệu lên tới 20%, khiến pin nhiên liệu không hiệu quả hơn động cơ xăng. Nhóm nghiên cứu của GS Yan trong 15 năm tìm kiếm giải pháp giải quyết vấn đề carbon dioxide hóc búa này.

Mô-đun quấn xoắn ốc của nhóm nghiên cứu UD thu hydro và không khí qua hai cửa hút riêng biệt (bên trái), sau khi đi qua hai lớp màng phủ chất xúc tác có diện tích lớn thải khí carbon dioxide và không khí không có carbon dioxide (hiển thị ở bên phải). Hình 2 là phương thức di chuyển của các phân tử trong màng đoản mạch. Ảnh: Đại học Delaware

Một vài năm trước, các nhà khoa nhận thấy, nhược điểm này thực sự có thể là một giải pháp loại bỏ carbon dioxide trong không khí. Khi nghiên cứu kỹ về cơ chế, nhóm nhà khoa học nhận thấy rằng, các tế bào nhiên liệu hấp thụ tất cả các phân tử carbon dioxide đi vào, phân tách CO2 khỏi không khí. Brian Setzler, PGS nghiên cứu kỹ thuật hóa học và phân tử sinh học cho biết.

Mặc dù vấn đề này là nhược điểm của pin nhiên liệu nhưng nhóm nghiên cứu nhận thấy có thể tận dụng quá trình “tự tẩy” trong một bộ phận riêng biệt trước tổ hợp pin nhiên liệu, biến nhược điểm nay thành một thiết bị tách carbon dioxide. Có thể thu giữ 99% carbon dioxide ra khỏi không khí.

Nhóm nghiên cứu đã nhúng nguồn điện cho công nghệ điện hóa vào bên trong màng phân tách. Phương pháp ngược này làm đoản mạch bên trong thiết bị. Nhưng có thể kiểm soát được sự đoản mạch trong pin nhiên liệu này bằng hydro. Sử dụng màng đoản mạch bên trong, nhóm nghiên cứu loại bỏ những bộ phận cồng kềnh như tấm lưỡng cực, bộ thu dòng điện hoặc dây điện, thường thấy trong pin nhiên liệu.

Trên cơ sở cấu trúc mới, nhóm nhà khoa học có một thiết bị điện hóa, tương tự như màng lọc bình thường tách các chất khí, nhưng với khả năng liên tục thu nhận carbon dioxide từ không khí như một hệ thống điện hóa phức tạp hơn.

Bản chất của nhúng các dây dẫn điện vào bên trong màng tạo ra một đường ngắn, khiến các hạt carbon dioxide di chuyển từ bên này sang bên kia nhanh hơn đồng thời cho phép chế tạo một mô-đun xoắn ốc với diện tích bề mặt lớn trong một thể tích nhỏ.

Nhóm đã thành công chế tạo một thiết bị nhỏ, có khả năng lọc không khí lớn, hiệu quả và tiết kiệm chi phí cho các pin nhiên liệu. Quan trọng hơn, sáng tạo này mở ra khả năng sản xuất thiết bị lọc khí dân dụng trên thị trường.

Kết quả cho thấy, một tế bào điện hóa có kích thước 5x5cm có thể liên tục loại bỏ khoảng 99% lượng carbon dioxide có trong không khí, chảy với tốc độ xấp xỉ 2 lít/phút. Một thiết bị xoắn ốc nguyên mẫu ban đầu có kích thước bằng một lon nước ngọt 340g (12 ounce) có thể lọc 10 lít không khí/phút, loại bỏ 98% lượng carbon dioxide,.

Nếu được lắp đặt cho ô tô sử dụng pin nhiên liệu, thiết bị có thể tích khoảng 4 lit. Thiết bị này có thể được sử dụng để loại bỏ carbon dioxide trong các phương tiện đặc chủng như tàu vũ trụ hoặc tàu ngầm, nơi yêu cầu liên tục lọc khí CO2. Trong tương lai, khi nguồn năng lượng hóa thạch chuyển sang thành năng lượng hydro, thiết bị điện hóa này sẽ được sử dụng trong máy bay và các tòa nhà.