Trong bối cảnh nhu cầu điện khí hóa hàng hải và khai thác năng lượng xanh từ đại dương ngày càng tăng tốc, pin kẽm-không khí nước biển (SZAB) nổi lên như một ứng cử viên sáng giá nhờ mật độ năng lượng cao. Tuy nhiên, rào cản lớn nhất nằm ở môi trường nước biển tự nhiên khi các ion clorua (Cl⁻) có xu hướng "đầu độc" các chất xúc tác bạch kim/carbon (Pt/C) truyền thống, khiến cực âm nhanh chóng bị phá hủy.
Ảnh minh họa.
Mới đây, nhóm nghiên cứu từ Đại học Trung Nam (Central South University) và Đại học Tây An Jiaotong-Liverpool đã công bố giải pháp trên tạp chí khoa học Nano-Micro Letters. Họ đã phát triển một chiến lược tổng hợp phổ quát, tạo ra chất xúc tác nguyên tử đơn sắt (Fe) với cấu trúc hình chóp vuông độc đáo mang tên "Cl–Fe–N4".
Bằng cách sử dụng các dị nguyên tử (như Clo hoặc lưu huỳnh) để "kẹp" các vị trí Fe–N4 theo phương trục dọc, cấu trúc mới này có khả năng đẩy lùi các ion Cl⁻ gây hại trong nước biển, đồng thời tăng gấp đôi tốc độ phản ứng khử oxy.
Kết quả thử nghiệm thực tế cho thấy những con số đầy hứa hẹn:
- Độ bền: Pin sử dụng xúc tác Cl–Fe–N4 duy trì hoạt động ổn định trong suốt 200 giờ.
- Công suất: Đạt mật độ công suất 187,7 mW/cm vuông tại dòng điện 245,1 mA/cm vuông.
- Vượt trội: Trong môi trường nước biển tổng hợp kiềm, chất xúc tác này đạt mật độ dòng giới hạn 5,8 mA/cm vuông, vượt xa hiệu suất của xúc tác Pt/C thương mại (40 wt%).
Các tính toán lý thuyết cũng chỉ ra rằng việc đưa các dị nguyên tử vào phương trục dọc đã làm thay đổi tâm điện tử của nguyên tử sắt đơn, giúp tạo ra nhiều trung gian phản ứng hoạt động hơn, từ đó nâng cao hiệu suất xúc tác tổng thể.
Kết hợp với các điện cực anot Zn cho phép các pin dạng túi hoạt động trực tiếp trong nước biển.
Nghiên cứu này không chỉ dừng lại ở phòng thí nghiệm. Theo thông cáo báo chí, quy trình sản xuất loại pin này có tiềm năng thương mại hóa cao:
- Kết hợp với cực dương kẽm có thể in được, công nghệ này cho phép tạo ra các loại pin dạng túi hoạt động trực tiếp trong nước biển, cung cấp năng lượng cho phao cảm biến và tàu lặn không người lái (UUV).
- Với mật độ dòng điện cao ở mức quá thế thấp, công nghệ này có thể vận hành các máy bơm màng để khử mặn nước biển, tiêu thụ ít năng lượng hơn 30% so với các hệ thống thẩm thấu ngược hiện nay.
- Mực tiền chất sử dụng dung môi nước/ethanol và nhiệt độ xử lý dưới 1.000 độ C, hoàn toàn tương thích với các dây chuyền sản xuất cuộn sợi carbon hiện có.
Đây được xem là "cuốn cẩm nang" thiết kế vật liệu mới, biến ion clorua từ một "chất độc" thành yếu tố tăng cường hiệu suất, mở đường cho các thiết bị lưu trữ năng lượng thực sự mạnh mẽ trên biển.
An An - IE
