Một trạm nạp nhiên liệu của xe chạy bằng hydro của hãng Toyota | Ảnh: Toyota.

Khi thế giới dần dần hướng tới việc loại bỏ những chiếc xe chạy bằng nhiên liệu hóa thạch thì những công nghệ thay thế 'xanh' hơn cũng được khám phá nhiều hơn, chẳng hạn như xe chạy bằng pin điện.

Một công nghệ 'xanh' khác cũng có tiềm năng lớn là hydro. Tuy nhiên, trở ngại lớn của công nghệ này là do các hệ thống nhiên liệu có kích thước, độ phức tạp và chi phí cao. Cho đến gần đây, các nhà khoa học đã phát hiện ra một loại vật liệu mới có thể giải quyết những trở ngại trên.

Một nhóm các nhà nghiên cứu quốc tế, do giáo sư David Antonelli của Đại học Lancaster (Vương quốc Anh), đứng đầu, đã phát hiện ra một vật liệu mới làm từ Mangan hydride. Vật liệu mới sẽ được sử dụng để tạo ra các sàng phân tử trong các thùng nhiên liệu - nơi lưu trữ hydro và hoạt động cùng với các tế bào nhiên liệu trong một "hệ thống" chạy bằng hydro.

Sơ đồ biểu diễn sự hình thành cấu trúc nano KMH-1 bằng cơ chế tạo khuôn micelle nghịch đảo, được sinh ra từ quá trình tự ráp lại trong môi trường không phân cực. Nguồn: Nghiên cứu của Skipper et al (2012)

Vật liệu này, được gọi là KMH-1 (Kubas Mangan Hydride-1), cho phép thiết kế các bình chứa nhiên liệu nhỏ hơn, rẻ hơn, thuận tiện hơn và tiết kiệm năng lượng hơn so với các công nghệ nhiên liệu hydro hiện có và cho phép cung cấp năng lượng tốt hơn đáng kể so với những phương tiện chạy pin.

Giáo sư Antonelli là Chủ tịch khoa hóa học vật lý tại Đại học Lancaster và đã có hơn 15 năm nghiên cứu về lĩnh vực này. Ông cho biết: “Giá sản xuất vật liệu này rất thấp và mật độ năng lượng lưu trữ cao hơn nhiều so với pin Ion Lithium. Chúng ta có thể có những hệ thống pin nhiên liệu hydro giá thấp hơn 5 lần so với pin Lithium, đồng thời chúng lại cho phép đi quãng đường có thể dài hơn khoảng 4-5 lần trước khi phải nạp đầy.”

Vật liệu này tận dụng một quá trình hóa học gọi là ràng buộc Kubas (Kubas binding). Quá trình này cho phép lưu trữ hydro bằng cách phân tán các nguyên tử hydro trong phân tử H2 và hoạt động ở nhiệt độ phòng. Điều này giúp loại bỏ sự cần thiết phải phân tách và liên kết giữa các nguyên tử H - một quá trình đòi hỏi năng lượng và nhiệt độ cao cũng như các thiết bị phức tạp.

Nhiên liệu hydro màu vàng có thể sử dụng trong động cơ xe ô tô | Ảnh: Stock.

Vật liệu KMH-1 cũng hấp thụ và lưu trữ bất kỳ năng lượng dư thừa nào nên không cần cung cấp nhiệt và làm mát từ bên ngoài. Điều này có ý nghĩa quan trọng vì như thế sẽ không cần dùng thiết bị nhiệt và làm mát trong xe, khiến hệ thống có hiệu quả tiềm năng hơn nhiều so với những thiết kế hiện có.

Sàng hoạt động bằng cách hấp thụ hydro dưới áp suất khoảng 120 atm, thấp hơn bình khí nén thông thường (và thấp hơn hệ thống lưu trữ hydro hiện tại thường hoạt động ở mức áp suất 700 atm). Sau đó, nó giải phóng hydro từ bể vào pin nhiên liệu khi áp suất được giải phóng.

Thí nghiệm của những nhà nghiên cứu cho thấy vật liệu này cho phép lưu trữ lượng hydro gấp 4 lần công nghệ nhiên liệu hydro hiện có trên cùng thể tích. Điều này rất hữu ích cho các nhà sản xuất xe vì nó cho phép họ giảm kích thước bình nhiên liệu xuống 4 lần.

Thiết bị bay không người lái (Drones) đôi khi cần rời khỏi lưới điện trong thời gian dài và đòi hỏi nguồn pin duy trì được nhiều tuần.

Mặc dù ứng dụng rõ ràng nhất của KMH-1 là cho các phương tiện, bao gồm cả ô tô và xe tải nặng nhưng các nhà nghiên cứu cũng tin rằng nó có thể ứng dụng ở những lĩnh vực khác.

“Vật liệu này có thể được sử dụng trong các thiết bị dạng nhỏ gọn (portable) như drone hoặc trong các bộ sạc di động cho phép mọi người có thể đi những chuyến dã ngoại kéo dài cả tuần mà không cần sạc thiết bị”, GS Antonelli cho biết, “Ưu thế thực sự mang lại chính là khi ta ở các tình huống đoán trước được cần phải rời khỏi lưới điện trong thời gian dài, chẳng hạn như trên hành trình xe tải đường dài, drone và robot. Nó cũng có thể được sử dụng để vận hành một ngôi nhà hoặc khu dân cư ở những vùng xa xôi chỉ từ một pin nhiên liệu.”

Công nghệ này đã được Đại học South Wales cấp phép cho một công ty spin-out mang tên Kubagen trong đó có một phần sở hữu của GS. Antonelli. Ông cũng đóng vai trò CEO/CTO của công ty này.

Nghiên cứu được trình bày chi tiết trong bài báo "A Manganese Hydride Molecular Sieve for Practical Hydrogen” xuất bản trên tạp chí Energy and Environmental Science vào giữa tháng 1/2019. Nghiên cứu này được tài trợ bởi công ty ô tô Chrysler (FCA), Viện nghiên cứu Hydro-Quebec, Đại học South Wales, Hội đồng nghiên cứu khoa học vật lý và kỹ thuật (EPSRC), Chính phủ xứ Wales và Đại học Manchester.