Thế giới luôn chạy đua tìm nguồn năng lượng tốt hơn, sạch hơn, bền hơn và khi nói về pin nhiên liệu thì xu hướng nghiên cứu, phát triển pin có dung lượng cao hơn, bền hơn ngày càng phổ biến và cấp thiết hơn. Sự bùng nổ gần đây của xe điện đặt ra yêu cầu nghiên cứu các ứng dụng của pin để tích trữ và vận chuyển năng lượng nhanh và bền bỉ. Gần đây, Nhật Bản đã có kế hoạch sử dụng những chiếc xe sử dụng pin nhiên liệu thay thế cho xăng dầu để chở vận động viên đến các nơi thi đấu tại Olympic Tokyo năm 2020. Trong đó, “thêm sức bền” cho pin nhiên liệu là một vấn đề đặt ra cho nguồn năng lượng này. 

Thạc sĩ - nghiên cứu sinh Nguyễn Văn Mỷ cho biết: Trong số các thành phần cấu tạo pin nhiên liệu, việc phát triển vật liệu làm màng trao đổi proton, có khả năng hoạt động trong điều kiện thực tế được quan tâm sâu sắc. Các vật liệu làm màng trao đổi proton truyền thống là các polyme perfluorosulfonic (PFSA), tức là Nafion được hydrat hóa hoàn toàn, có khả năng đạt được độ dẫn proton cao khoảng 1 x 10-1 S cm-1 tại 800C. Tuy nhiên, độ ẩm tương đối (RH) cần phải cao hơn 98%. Với độ ẩm này, chỉ một sự dao động nhiệt độ nhỏ, có thể gây ra sự ngưng tụ nước dẫn đến mất hiệu suất của pin nhiên liệu cũng như tốn chi phí lớn trong việc duy trì độ ẩm cao. 

Ngoài ra, pin nhiên liệu hydro cần hoạt động tốt ở nhiệt độ cao để giảm sự đầu độc của khí CO đối với xúc tác Pt trên điện cực. Tuy nhiên, tại nhiệt độ cao hơn 800C, cấu trúc Nafion không bền (trương nở về mặt cơ học) dẫn đến làm giảm độ dẫn proton. Do đó, cần thiết kế và tổng hợp các vật liệu mới làm màng trao đổi proton với độ dẫn proton cao, hoạt động tốt ở nhiệt cao và độ ẩm thấp hơn 98%. 

Vật liệu khung hữu cơ kim loại (Metal-organic frameworks - MOFs) là loại vật liệu xốp có diện tích bề mặt cao được tạo thành từ các cụm kim loại và các cầu nối hữu cơ. Loại vật liệu này đang thu hút sự quan tâm của các nhà khoa học trên thế giới và được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau như là lưu trữ, tách khí, hấp phụ khí nhà kính như CO2 hay CH4, xúc tác dị thể, đầu dò hóa học… Gần đây, vật liệu nano MOFs được sử dụng rộng rãi để làm vật liệu màng trao đổi proton nhờ có độ bền nhiệt và hóa học cao cũng như có thể đưa chất mang proton vào cấu trúc MOFs thông qua tương tác axit-bazơ.

“Cho đến năm 2017 và 2018, lần đầu tiên chúng tôi đã tổng hợp thành công hai loại vật liệu Zr-MOFs mới, chưa từng được công bố trên thế giới (được đặt tên lần lượt là VNU-17 và VNU-23) trên cơ sở các liên kết sulfonat của cầu nối hữu cơ với các cụm kim loại Zr. Giá trị độ dẫn proton này cao hơn rất nhiều so với các vật liệu MOFs truyền thống và gần tiệm cận giá trị độ dẫn proton của các vật liệu công nghiệp cũng như phù hợp với điều kiện thực tế sử dụng pin nhiên liệu cho các loại xe hơi”, ông Mỷ cho biết thêm. 

Với công trình này, ông Nguyễn Văn Mỷ đã đóng góp lớn vào hệ thống thư viện về vật liệu mới trên thế giới: VNU-17 và VNU-23 là hai cấu trúc hoàn toàn mới và chưa từng được công bố. Hai vật liệu HIm11VNU-17 và His8.2VNU-23 thể hiện giá trị dẫn proton vượt trội so với các vật liệu MOFs khác. Vật liệu His8.2VNU-23 có giá trị độ dẫn >10-2 S cm-1 (95oC, 85 %RH) tương tự với độ dẫn proton của vật liệu truyền thống Nafion nhưng khắc phục hoàn toàn nhược điểm của Nafion khi được đo lường ở độ ẩm thấp hơn và nhiệt độ cao. Và hơn nữa, đề tài có khả năng ứng dụng cao (vì quá trình tổng hợp vật liệu từ các nguồn rẻ tiền như muối ZrOCl2 và linker H2NDC) để làm màng trao đổi proton trong thực tế với loại pin nhiên liệu hydro.

Theo sggp.org.vn