Phương pháp lưu trữ khí mới cho các thế hệ ô tô năng lượng sạch tiếp theo

Nhóm nghiên cứu do Trường Đại học Northwestern dẫn đầu đã thiết kế và tổng hợp được vật liệu mới có độ xốp và diện tích bề mặt rất cao để lưu trữ hydro và metan cho các phương tiện chạy bằng pin nhiên liệu. Những khí này là nguồn nguyên liệu năng lượng sạch hấp dẫn thay thế nhiên liệu hóa thạch sản xuất carbon dioxide.

Bọt biệt có thể lập trình có độ xốp cao để lưu trữ năng lượng sạch. Nguồn: Trường Đại học Northwestern

Vật liệu thiết kế này, một nhóm vật liệu khung hữu cơ kim loại (MOF), có thể lưu trữ nhiều hydro và metan hơn đáng kể ở áp suất an toàn hơn nhiều và với chi phí thấp hơn nhiều so với các vật liệu hấp phụ thông thường.

Omar K. Farha, người đứng đầu nghiên cứu cho biết: “Chúng tôi đã phát triển được một phương pháp lưu trữ khí hydro và khí mêtan tốt hơn cho các phương tiện năng lượng sạch thế hệ tiếp theo. Để làm được điều này, chúng tôi đã sử dụng các nguyên lý hóa học để thiết kế các vật liệu xốp cùng với sự sắp xếp nguyên tử một cách chính xác, do đó đã có được vật liệu có độ xốp siêu cao”.

Chất hấp phụ là các chất rắn xốp liên kết các phân tử chất lỏng hoặc khí với bề mặt của chúng. Nhờ các lỗ có kích cỡ nano, mẫu vật liệu mới có trọng lượng 1 gram (với dung tích 6 M&Ms) mới này có diện tích bề mặt bao phủ khá lớn. 

Vật liệu mới có thể là một bước đột phá cho ngành công nghiệp lưu trữ khí lớn bởi vì nhiều ngành công nghiệp và ứng dụng yêu cầu sử dụng các loại khí nén như oxy, hydro, metan và các loại khí khác, Farha, phó giáo sư hóa học tại Trường Đại học khoa học và khai phóng Weinberg, thành viên của Viện Công nghệ nano quốc tế Northwestern, nói.

Mới đây, công trình nghiên cứu, kết hợp thử nghiệm và mô phỏng phân tử, đã được công bố trên tạp chí Science.

Vật liệu có độ xốp cao cân bằng hiệu suất lưu trữ trọng lượng và thể tích. Nguồn: Timur Islamoglu và Zhijie Chen

Các MOF siêu phức tạp, có tên NU-1501, được chế tạo từ các phân tử hữu cơ và các ion hoặc các chùm kim loại tự sắp xếp để tạo thành các khung xốp, tinh thể cao, đa chiều và rất xốp. Để hình dung được cấu trúc của MOF, chúng ta hãy hình dung đến t bộ Tinkertoys, trong đó các ion hoặc chùm kim loại là các nút hình tròn hoặc hình vuông và phân tử hữu cơ là các thanh giữ các nút với nhau.

Hiện các phương tiện chạy bằng hydro và metan yêu cầu khí nén áp suất cao để có thể vận hành hiệu quả. Áp suất của bình hydro lớn hơn 300 lần so với áp suất các lốp xe. Vì mật độ của hydro thấp nên rất khó để đạt được mức áp suất này, và cũng sẽ không an toàn vì khí hydro rất dễ cháy.

Việc phát triển các vật liệu hấp phụ mới có thể lưu trữ khí hydro và khí metan cho các phương tiện ở mức áp suất thấp hơn nhiều, có thể giúp các nhà khoa học và các kỹ sư đạt được các mục tiêu phát triển thế hệ ô tô năng lượng sạch tiếp theo của Bộ Năng lượng Hoa Kỳ.

Để đáp ứng các mục tiêu này, cả kích thước và trọng lượng của bình chứa nhiên liệu cần phải được tối ưu hóa. Các vật liệu có độ xốp cao trong nghiên cứu này có thể cân bằng được thể tích (kích thước) và khối lượng (trọng lượng lượng) của khí hydro và metan, đưa các nhà nghiên cứu tiến gần hơn tới mục tiêu của họ.

Chúng tôi có thể lưu trữ một lượng lớn hydro và metan trong các lỗ xốp của MOF và chuyển vào động cơ của phương tiện ở mức áp suất thấp hơn mức cần thiết đối với các phương tiện pin nhiên liệu hiện tại”, Farha nói.

Hiện tại, Farha và nhóm của ông hợp tác với các nhà khoa học tại Viện Tiêu chuẩn và Công nghệ Quốc gia (NIST) để tiến hành các thí nghiệm hấp thụ khí áp suất cao.

P.T.T (NASATI), theo https://phys.org/news/2020-04-gas-storage-method-next-generation-energy.html, 16/4/2020