Vật liệu kỳ diệu có thể thu năng lượng từ không khí lỏng

Tuyên bố táo bạo về công nghệ pin mới có được khoảng hơn 150 năm trước đây từ việc phát minh ra pin chì-axit.

Nhưng các nhà nghiên cứu tại Đại học Manchester ở Anh cho biết phát hiện mới nhất của họ liên quan đến vật liệu graphene mới có thể kỳ diệu hơn cả công nghệ pin trước cách mạng.

Graphen là tấm riêng của các nguyên tử cácbon được bó thành mạng hình tổ ong hai chiều (2D), và là khối căn bản cho các vật chất kiểu than chì bất chấp số chiều. Nó có thể được bọc lại thành những fulleren 0D, cuộn lại thành ống nanô cácbon 1D hoặc xếp thành than chì 3D. Fullerene là những phân tử cấu thành từ các nguyên tử cacbon, chúng có dạng rỗng như mặt cầu, ellipsoid, hay ống. Fullerene có cấu trúc tương tự với than chì, là tổ hợp của lớp than chì độ dày một nguyên tử (còn gọi là graphene) liên kết với nhau tạo thành vòng lục giác; nhưng chúng cũng có thể tạo thành vòng ngũ giác hoặc thất giác.

Theo một nghiên cứu công bố trên tạp chí Nature, các màng graphene có thể được sử dụng để sàng lọc khí hydro từ khí quyển – một sự phát triển có thể mở đường cho việc ra đời máy phát điện chạy bằng không khí.

“Nghe có vẻ đơn giản và đầy hứa hẹn”, Tiến sĩ Sheng Hu, một nhà nghiên cứu sau tiến sĩ trong dự án cho biết. “Bởi vì graphene hiện nay có thể được sản xuất ở dạng tấm mét vuông, chúng tôi hy vọng rằng nó sẽ sớm được kết hợp với các tế bào nhiên liệu thương mại.”

Chùm năng lượng

Trung tâm của công nghệ này là các tính chất vật lý đáng chú ý của graphene – một chất có cấu trúc nguyên tử giống như chì được tìm thấy trong các cây bút chì bình thường.

Vào năm 2004 một nhóm nghiên cứu từ Đại học Manchester, đứng đầu là Andre Geim và Kostya Novoselov – cả hai đều đoạt giải Nobel Vật lý cho khám phá của họ trong năm 2010 – đã phát hiện ra graphene , từ đó graphene đã được biết đến như là một công nghệ thay đổi cuộc chơi.

Graphene Các tinh thể hai chiều đầu tiên, mỏng nhất, nhẹ nhất và mạnh mẽ nhất được khoa học biết đến, cứng hơn so với kim cương và cứng hơn thép 200 lần.

Linh hoạt, trong suốt và có khả năng dẫn điện tốt hơn so với đồng, các chất này mang tính đột phá được thiết lập để cách mạng hóa tất cả mọi thứ từ điện thoại thông minh và công nghệ có thể mặc được,  đến công nghệ xanh và y học.

Nổi tiếng bởi khả năng ngăn cản, graphene chỉ dày bằng một nguyên tử – mỏng hơn một triệu lần so với một sợi tóc của con người.

Công nghệ màng

Phát hiện mới nhất cho thấy graphene có sức hút hơn màng proton-tiến hành đó là cốt lõi của công nghệ pin nhiên liệu hiện đại.

Tế bào nhiên liệu hoạt động bằng cách sử dụng oxy và hydro làm nhiên liệu, chuyển đổi năng lượng hóa học được sản xuất bởi đầu vào của nó trực tiếp thành điện năng. Tuy nhiên, hiện tại màng tách proton cần thiết cho quá trình này là tương đối không hiệu quả, vẫn còn ô nhiễm chéo trong nhiên liệu.

Bằng cách sử dụng màng graphene giúp tăng hiệu quả và độ bền cho pin hơn.

Nhóm nghiên cứu đã tìm thấy proton qua các tinh thể siêu mỏng tương đối dễ dàng, đặc biệt là ở nhiệt độ lớn và với việc sử dụng một chất xúc tác là bạch kim tráng trên màng phim.

Thu hoạch hydro

Khía cạnh đáng ngạc nhiên nhất của nghiên cứu đó là tìm thấy màng có thể được sử dụng để trích xuất hydro từ khí quyển. Các nhà khoa học cho biết việc thu hoạch như vậy có thể kết hợp với các tế bào nhiên liệu để tạo ra một máy phát điện di động thúc đẩy đơn giản bằng cách có mặt hydro trong không khí.

Khi bạn biết nó  làm việc như thế nào, bạn sẽ bất ngờ bởi đây là một thiết lập rất đơn giản. Bạn chỉ cần đặt một bình chứa khí hydro ở một bên, đưa một dòng điện nhỏ vào và thu thập hydro tinh khiết ở phía bên kia. Hydro này sau đó có thể được dùng đốt cháy trong một tế bào nhiên liệu.

“Chúng tôi đã làm việc với các màng nhỏ và dòng chảy đạt được của hydro cũng là nhỏ cho đến nay. Tuy nhiên, đây là giai đoạn ban đầu của sự khám phá và chứng nhận này là để các chuyên gia nhận thức được các khách hàng tiềm năng hiện có. Để xây dựng và thu hoạch thử nghiệm hydro sẽ đòi hỏi nỗ lực mở rộng hơn nhiều. ”

Hiện nay, hydro thu được gần như hoàn toàn từ nhiên liệu hóa thạch.

Cuộc cách mạng graphene

Các nhà khoa học đã đang tìm cách mới chế biến graphene và ứng dụng mới cho các vật chất vô hình. Bởi vì nó linh hoạt và khả năng co dãn khiến nó trở thành một ứng cử viên lý tưởng cho thế hệ năng lượng mặt trời.

Nghiên cứu mới của Viện Khoa học Photonic ở Tây Ban Nha đã cho thấy rằng graphene có thể hiệu quả hơn trong việc chuyển đổi ánh sáng thành năng lượng.

Nghiên cứu phát hiện rằng: không giống như silicon chỉ tạo ra một electron cho mỗi photon nó hấp thụ, graphene có thể sản xuất nhiều electron.

Mặc dù các ứng dụng của graphene trong các tế bào năng lượng điện mặt trời chỉ là lý thuyết, tiềm năng có thể là đáng kinh ngạc. Các tế bào năng lượng mặt trời được làm bằng graphene có thể cung cấp 60% hiệu suất pin mặt trời – được coi là tăng gấp đôi hiệu quả tối đa của các tế bào silicon.

Ngoài sử dụng trong giao thông vận tải vì độ nhẹ và sức mạnh của nó để chuyển đổi hiệu quả nhiên liệu cho sản xuất xe hơi và máy bay, graphene đã được nghiên cứu như một lớp phủ chống ăn mòn cho bao bì và thậm chí cả bao cao su siêu mỏng.

Trong y học, các nhà nghiên cứu nói rằng nó có thể được sử dụng để đưa thuốc vào các vùng cụ thể trong cơ thể và đang được phát triển như là một phương pháp  điều trị có điều kiện cho những người có bệnh não.

Trong công nghiệp, màng graphene đang được nghiên cứu sử dụng như một phương tiện làm sạch nước và thậm chí như một cách để trích xuất muối và các yếu tố khác từ nước biển để thành nước thể uống được.