Hiện nay, việc trữ lượng các nguồn nhiên liệu hóa thạch dần dần cạn kiệt do nhu cầu sử dụng năng lượng ngày càng lớn của con người đang là một vấn đề rất được quan tâm. Bên cạnh đó, khối lượng lớn khí thải CO2 từ việc khai thác, sử dụng nhiên liệu hóa thạch khiến cho ô nhiễm môi trường ngày càng trầm trọng và gây ra những biến đổi xấu trong cấu trúc hệ sinh thái môi trường. Với các ưu điểm như quy trình hoạt động chuyển hóa năng lượng không có sự cháy như trong động cơ đốt, có thể tạo ra dòng điện liên tục khi được cung cấp nhiên liệu và hoạt động với hiệu suất cao, lượng khí CO2 sinh ra trong quá trình sử dụng không có hoặc rất ít, pin nhiên liệu được xem là hướng giải quyết đầy tiềm năng cho vấn đề tìm kiếm nguồn năng lượng sạch thay thế cho nguồn nhiên liệu hóa thạch. Có nhiều loại pin nhiên liệu khác nhau có thể kể đến như pin nhiên liệu kiềm, pin nhiên liệu phosphoric acid, pin nhiên liệu carbonat nóng chảy, pin nhiên liệu oxit rắn, pin nhiên liệu methanol trực tiếp…
Trong đó, pin nhiên liệu kiềm được đánh giá là một trong những pin nhiên liệu chế tạo năng lượng tương đối sạch và có hiệu quả sử dụng trong thực tế khá cao. Pin nhiên liệu kiềm có các đặc tính tốt như hạn chế được việc sử dụng các lớp xúc tác kim loại quý như platin, là một vật liệu có giá thành đắt và dễ bị ngộ độc bởi các sản phẩm của quá trình oxi hóa nhiên liệu, khoảng nhiệt độ của pin nhiên liệu kiềm thấp hơn so với các hệ pin nhiên liệu khác (khoảng 100oC) và đặc biệt pin nhiên liệu kiềm sử dụng màng trao đổi anion thay thế cho dung dịch chất điện li có thể làm cho cấu trúc của pin gọn nhẹ và đơn giản hơn, hạn chế được sự tiêu hao chất điện li, làm giảm sự ăn mòn vật liệu điện cực cũng như làm giảm sự carbonat hóa trong môi trường kiềm. Vấn đề nghiên cứu về chất điện li, đặc biệt là màng điện li ứng dụng cho pin nhiên liệu nói chung và pin nhiên liệu kiềm nói riêng vẫn còn là vấn đề quan trọngđược nhiều nhà khoa học quốc tế quan tâm và nghiên cứu. Tại Việt Nam, vấn đề nghiên cứu về chất điện li cho pin nhiên liệu kiềm vẫn chưa được nhiều nhà khoa học quan tâm. Vì vậy, để thực hiện mục tiêu chế tạo được hệ pin nhiên liệu trong điều kiện ở Việt Nam thì vấn đề nghiên cứu chế tạo màng trao đổi ion là một vấn đề cấp thiết cần được quan tâm nghiên cứu và phát triển. Do đó, TS. Nguyễn Văn Thức tại Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội đã thực hiện đề tài: “Nghiên cứu chế tạo, khảo sát tính chất và định hướng ứng dụng của màng trao đổi anion hydroxyl” từ năm 2017 đến năm 2021.
Để tài nhằm thực hiện các mục tiêu sau: chế tạo được màng trao đổi anion hydroxyl trên cơ sở sự biến tính poly (vinyl alcohol) (PVA), tổ hợp của PVA với một số hợp chất cao phân tử khác và với polymer có khả năng dẫn anion (chứa nhóm chức ammonium trong thành phần polymer); xác định điều kiện, thành phần phù hợp cho việc chế tạo màng trao đổi anion có khả năng ứng dụng cho pin nhiên liệu kiềm.
Sau bốn năm nghiên cứu, đề tài đã thu được các kết quả như sau:
– Bằng phương pháp sử dụng chất tạo gốc tự do, đã biến tính được PVA và chế tạo thành công màng trao đổi anion trên cơ sở sự biến tính của PVA ấy. Màng biến tính thu được có giá trị độ dẫn điện riêng (>1mS/cm), khả năng trao đổi anion cao (>2mmol/g) và có độ bền nhiệt độ trên 100o C, đáp ứng được các tiêu chí của màng trao đổi anion cho pin nhiên liệu kiềm. Khảo sát ảnh hưởng của khối lượng KOH ban đầu sử dụng để chế tạo màng PVA-PVA-KOH đến giá trị độ dẫn điện riêng, khả năng trao đổi anion, khả năng hấp thu nước cho thấy, khối lượng KOH ban đầu tối ưu cho việc chế tạo màng là 0,4g. Tuy nhiên, khả năng hấp thu nước cao của màng là một vấn đề cần khắc phục để tìm ra điều kiện tối ưu giữa độ dẫn điện riêng và độ bền cơ học cần thiết của màng.
– Chế tạo thành công màng trao đổi anion trên cơ sở sự tổ hợp của PVA với polymer PEO, PVdF, PMMA, PS và poly (ST-co-VBTMAOH) theo các tỉ lệ khác nhau. Sự có mặt của các polymer cũng như sự tổng hợp thành công các mẫu vật liệu được chứng minh qua kết quả phổ hồng ngoại và phổ cộng hưởng từ hạt nhân (1 HNMR). Các mẫu màng thu được đều có độ bền nhiệt trên 100o C, đáp ứng được yêu cầu độ bền nhiệt của màng trao đổi anion trong pin nhiên liệu kiềm. Khảo sát các tính chất vật lý và hóa học của các mẫu vật liệu cho thấy mẫu tổ hợp giữa PVA với PEO, PMMA và PS đều có khả năng hấp thu nước và khả năng trao đổi ion khá cao. Mẫu PVA/PMMA/KOH tỉ lệ khối lượng 10:1:2 cho kết quả khả năng trao đổi ion là 1,44mmol/gam màng, độ hấp thu nước 85%, độ dẫn riêng cao (2,729mS/cm) phù hợp với các tiêu chí ứng dụng cho pin nhiên liệu kiềm. Mẫu vật liệu tổ hợp giữa PVA và PVdF cho kết quả độ hấp thu nước và khả năng trao đổi ion còn khá thấp. Các mẫu màng tổ hợp giữa PVA với copolymer poly (ST-coVBTMAOH) cho kết quả độ dẫn điện riêng khá tốt, giá trị khả năng trao đổi iontừ 0,32mmol/gam màng tới 0,65mmol/gam màng ở nhiệt độ phòng. Khảo sát cho thấy với tỉ lệ ban đầu ST/VBC là 1:2 thu được các giá trị độ dẫn điện riêng (đạt 7,25mS/cm) và khả năng trao đổi anion tốt nhất (đạt 0,65mmol/gam màng), đáp ứng được yêu cầu của màng trao đổi anion cho pin nhiên liệu kiềm.
Việc lựa chọn PVA làm polymer cơ bản trong quá trình chế tạo màng trao đổi anion dựa trên những kết quả nghiên cứu khả quan về hệ PVA/KOH/H2O. Màng trao đổi anion hydroxyl trên cơ sở PVA có những kết quả tốt về độ dẫn điện riêng, khả năng trao đổi anion, quy trình chế tạo màng đơn giản và có thể sử dụng nước là dung môi trong quá trình chế tạo. Tuy nhiên, việc sử dụng PVA có nhược điềm cần khắc phục như khả năng hút nước cao dẫn tới việc làm giảm độ bền của hệ màng trao đổi. Để khắc phục được những nhược điểm trên, màng trao đổi được chế tạo trên cơ sở sự biến tính của PVA hoặc sự tổ hợp của PVA với một số polymer có những tính năng đặc trưng khác nhằm mục tiêu nâng cao được tính chất cơ bản cần thiết của màng (trên cơ sở sự tổ hợp và có thể cộng hưởng những tính chất riêng của từng polymer), đồng thời tối ưu hóa những tính chất để có thể nâng cao khả năng ứng dụng vào thực tế của màng trao đổi anion.
Có thể tìm đọc báo cáo kết quả nghiên cứu (mã số 18614/2020) tại Cục Thông tin khoa học và công nghệ quốc gia.
N.P.D (NASATI) vista.gov.vn