[ad_1]
Như tên gọi của nó, hầu hết các thiết bị điện tử ngày nay hoạt động thông qua chuyển động của các electron. Nhưng các vật liệu có thể dẫn proton hiệu quả — hạt nhân của nguyên tử hydro — có thể là chìa khóa cho một số công nghệ quan trọng để chống lại biến đổi khí hậu toàn cầu.
Hầu hết các vật liệu vô cơ dẫn proton hiện có đều cần nhiệt độ cao không mong muốn để đạt được độ dẫn điện đủ cao. Tuy nhiên, các giải pháp thay thế ở nhiệt độ thấp hơn có thể cho phép nhiều công nghệ khác nhau, chẳng hạn như pin nhiên liệu hiệu quả và bền hơn để sản xuất điện sạch từ hydro, máy điện phân để tạo ra nhiên liệu sạch như hydro cho giao thông, pin proton thể rắn và thậm chí là các loại thiết bị điện toán mới dựa trên hiệu ứng ion-điện tử.
Để thúc đẩy sự phát triển của các chất dẫn proton, các kỹ sư MIT đã xác định một số đặc điểm nhất định của vật liệu tạo ra sự dẫn proton nhanh. Sử dụng các đặc điểm đó một cách định lượng, nhóm đã xác định được nửa tá ứng cử viên mới cho thấy triển vọng là chất dẫn proton nhanh. Các mô phỏng cho thấy các ứng cử viên này sẽ hoạt động tốt hơn nhiều so với các vật liệu hiện có, mặc dù chúng vẫn cần phải được điều chỉnh theo thực nghiệm. Ngoài việc khám phá ra các vật liệu mới tiềm năng, nghiên cứu này cũng cung cấp hiểu biết sâu hơn ở cấp độ nguyên tử về cách các vật liệu đó hoạt động.
Những phát hiện mới là được mô tả trong tạp chí Khoa học năng lượng và môi trườngtrong một bài báo của các giáo sư MIT Bilge Yildiz và Ju Li, các tiến sĩ sau tiến sĩ Pjotrs Zguns và Konstantin Klyukin, và cộng sự của họ là Sossina Haile cùng các sinh viên của cô từ Đại học Northwestern. Yildiz là Giáo sư Breene M. Kerr tại các khoa Khoa học và Kỹ thuật Hạt nhân và Khoa học và Kỹ thuật Vật liệu.
“Các chất dẫn proton cần thiết trong các ứng dụng chuyển đổi năng lượng sạch như pin nhiên liệu, nơi chúng ta sử dụng hydro để sản xuất điện không có carbon dioxide”, Yildiz giải thích. “Chúng tôi muốn thực hiện quy trình này một cách hiệu quả, và do đó chúng tôi cần các vật liệu có thể vận chuyển proton rất nhanh qua các thiết bị như vậy”.
Các phương pháp sản xuất hydro hiện tại, ví dụ như cải cách khí mêtan bằng hơi nước, thải ra rất nhiều carbon dioxide. Yildiz cho biết “Một cách để loại bỏ điều đó là sản xuất hydro bằng phương pháp điện hóa từ hơi nước và điều đó cần các chất dẫn proton rất tốt”. Việc sản xuất các hóa chất công nghiệp quan trọng khác và nhiên liệu tiềm năng, chẳng hạn như amoniac, cũng có thể được thực hiện thông qua các hệ thống điện hóa hiệu quả đòi hỏi các chất dẫn proton tốt.
Nhưng hầu hết các vật liệu vô cơ dẫn proton chỉ có thể hoạt động ở nhiệt độ từ 200 đến 600 độ C (khoảng 450 đến 1.100 độ F), hoặc thậm chí cao hơn. Nhiệt độ như vậy đòi hỏi năng lượng để duy trì và có thể gây ra sự phân hủy vật liệu. Yildiz cho biết: “Việc tăng nhiệt độ lên cao hơn là không mong muốn vì điều đó khiến toàn bộ hệ thống trở nên khó khăn hơn và độ bền của vật liệu trở thành một vấn đề”. “Không có chất dẫn proton vô cơ nào tốt ở nhiệt độ phòng”. Ngày nay, chất dẫn proton duy nhất được biết đến ở nhiệt độ phòng là vật liệu polyme không thực tế cho các ứng dụng trong thiết bị điện toán vì không thể dễ dàng thu nhỏ xuống chế độ nanomet, bà cho biết.
Để giải quyết vấn đề này, trước tiên nhóm nghiên cứu cần phát triển hiểu biết cơ bản và định lượng về cách thức hoạt động chính xác của quá trình dẫn proton, bằng cách sử dụng một lớp chất dẫn proton vô cơ, được gọi là axit rắn. “Đầu tiên, người ta phải hiểu điều gì chi phối quá trình dẫn proton trong các hợp chất vô cơ này”, bà nói. Trong khi xem xét cấu hình nguyên tử của vật liệu, các nhà nghiên cứu đã xác định được một cặp đặc điểm liên quan trực tiếp đến tiềm năng mang proton của vật liệu.
Như Yildiz giải thích, sự dẫn proton đầu tiên liên quan đến một proton “nhảy từ một nguyên tử oxy cho đến một nguyên tử oxy nhận. Và sau đó môi trường phải tổ chức lại và lấy proton đã được chấp nhận đi, để nó có thể nhảy đến một nguyên tử nhận lân cận khác, cho phép khuếch tán proton tầm xa”. Bà cho biết quá trình này xảy ra trong nhiều chất rắn vô cơ. Bà cho biết việc tìm ra cách thức hoạt động của phần cuối cùng đó — cách mạng lưới nguyên tử được tổ chức lại để lấy proton đã được chấp nhận đi khỏi nguyên tử cho ban đầu — là một phần quan trọng của nghiên cứu này.
Các nhà nghiên cứu đã sử dụng mô phỏng máy tính để nghiên cứu một loại vật liệu gọi là axit rắn trở thành chất dẫn proton tốt ở nhiệt độ trên 200 độ C. Lớp vật liệu này có một cấu trúc phụ gọi là mạng con nhóm polyanion, và các nhóm này phải quay và đưa proton ra khỏi vị trí ban đầu của nó để sau đó nó có thể chuyển đến các vị trí khác. Các nhà nghiên cứu đã có thể xác định các phonon góp phần vào tính linh hoạt của mạng con này, điều này rất cần thiết cho sự dẫn proton. Sau đó, họ sử dụng thông tin này để sàng lọc qua các cơ sở dữ liệu khổng lồ về các hợp chất có thể có về mặt lý thuyết và thực nghiệm, nhằm tìm kiếm các vật liệu dẫn proton tốt hơn.
Kết quả là, họ đã tìm thấy các hợp chất axit rắn là chất dẫn proton đầy hứa hẹn và đã được phát triển và sản xuất cho nhiều ứng dụng khác nhau nhưng chưa từng được nghiên cứu trước đây như chất dẫn proton; các hợp chất này hóa ra có đúng đặc điểm về tính linh hoạt của mạng tinh thể. Sau đó, nhóm nghiên cứu đã thực hiện các mô phỏng máy tính về cách các vật liệu cụ thể mà họ xác định trong quá trình sàng lọc ban đầu sẽ hoạt động như thế nào ở nhiệt độ có liên quan, để xác nhận tính phù hợp của chúng như chất dẫn proton cho pin nhiên liệu hoặc các mục đích sử dụng khác. Quả nhiên, họ đã tìm thấy sáu vật liệu đầy hứa hẹn, với tốc độ dẫn proton dự đoán nhanh hơn các chất dẫn proton axit rắn tốt nhất hiện có.
“Có những điều không chắc chắn trong các mô phỏng này,” Yildiz cảnh báo. “Tôi không muốn nói chính xác độ dẫn điện sẽ cao hơn bao nhiêu, nhưng chúng có vẻ rất hứa hẹn. Hy vọng điều này sẽ thúc đẩy lĩnh vực thử nghiệm cố gắng tổng hợp chúng ở các dạng khác nhau và sử dụng các hợp chất này làm chất dẫn proton.”
Bà cho biết việc chuyển những phát hiện lý thuyết này thành các thiết bị thực tế có thể mất vài năm. Bà cho biết ứng dụng đầu tiên có thể là pin điện hóa để sản xuất nhiên liệu và nguyên liệu hóa học như hydro và amoniac.
Công trình này được hỗ trợ bởi Bộ Năng lượng Hoa Kỳ, Quỹ Wallenberg và Quỹ Khoa học Quốc gia Hoa Kỳ.
[ad_2]
Source link