Palladium là một trong những yếu tố then chốt để thúc đẩy nền kinh tế năng lượng dựa trên hydro. Kim loại màu bạc này hoạt động như một "người gác cổng" tự nhiên đối với mọi loại khí ngoại trừ hydro, loại khí mà nó dễ dàng cho đi qua. Nhờ khả năng chọn lọc vượt trội, palladium được coi là một trong những vật liệu hiệu quả nhất trong việc lọc hỗn hợp khí để sản xuất hydro tinh khiết.

Hiện nay, màng palladium được sử dụng rộng rãi trong thương mại để cung cấp hydro tinh khiết cho sản xuất chất bán dẫn, chế biến thực phẩm và sản xuất phân bón, cùng nhiều ứng dụng khác mà màng hoạt động ở nhiệt độ vừa phải. Nếu màng palladium nóng hơn khoảng 800 Kelvin, chúng có thể bị hỏng.

Giờ đây, các kỹ sư của MIT đã phát triển một loại màng palladium mới có khả năng chịu được nhiệt độ cao hơn nhiều. Thay vì được chế tạo dưới dạng một lớp màng liên tục như hầu hết các loại màng khác, thiết kế mới này được làm từ palladium được lắng đọng dưới dạng các "nút bịt" vào các lỗ rỗng của vật liệu hỗ trợ bên dưới. Ở nhiệt độ cao, các nút bịt vừa khít này vẫn ổn định và tiếp tục tách hydro, thay vì bị phân hủy như một lớp màng bề mặt.

Thiết kế ổn định nhiệt mở ra cơ hội sử dụng màng lọc trong các công nghệ sản xuất nhiên liệu hydro như cải tạo metan bằng hơi nước nhỏ gọn và cracking amoniac - những công nghệ được thiết kế để hoạt động ở nhiệt độ cao hơn nhiều nhằm sản xuất hydro làm nhiên liệu và điện không phát thải carbon.

“Với những nghiên cứu sâu hơn về việc mở rộng quy mô và kiểm chứng hiệu suất trong điều kiện cấp liệu công nghiệp thực tế, thiết kế này có thể mở ra một hướng đi đầy hứa hẹn hướng tới màng lọc thực tiễn cho sản xuất hydro ở nhiệt độ cao,” Tiến sĩ Lohyun Kim, tốt nghiệp năm 2024, cựu nghiên cứu sinh tại Khoa Kỹ thuật Cơ khí của MIT, cho biết.

Kim và các đồng nghiệp đã công bố chi tiết về màng lọc mới trong một nghiên cứu được đăng tải trên tạp chí Advanced Functional Materials. Các đồng tác giả của nghiên cứu bao gồm Randall Field, giám đốc nghiên cứu tại Sáng kiến ​​Năng lượng MIT (MITEI); Chun Man Chow, tiến sĩ năm 2023, cựu nghiên cứu sinh ngành kỹ thuật hóa học tại MIT; Rohit Karnik, Giáo sư Jameel thuộc Khoa Cơ khí tại MIT và giám đốc Phòng thí nghiệm Hệ thống Nước và Thực phẩm Abdul Latif Jameel (J-WAFS); và Aaron Persad, cựu nhà nghiên cứu khoa học tại MIT ngành kỹ thuật cơ khí, hiện là trợ lý giáo sư tại Đại học Maryland Eastern Shore.

Tương lai nhỏ gọn

Thiết kế mới của nhóm xuất phát từ một dự án của MITEI liên quan đến năng lượng nhiệt hạch. Các nhà máy điện nhiệt hạch trong tương lai, chẳng hạn như nhà máy mà Commonwealth Fusion Systems, một công ty khởi nghiệp từ MIT, đang thiết kế , sẽ sử dụng phương pháp tuần hoàn các đồng vị hydro của deuterium và tritium ở nhiệt độ cực cao để tạo ra năng lượng từ sự hợp nhất của các đồng vị này. Các phản ứng này chắc chắn sẽ tạo ra các khí khác cần được tách ra, và các đồng vị hydro sẽ được tuần hoàn trở lại lò phản ứng chính để tiếp tục phản ứng nhiệt hạch.

Các vấn đề tương tự cũng phát sinh trong một số quy trình sản xuất hydro khác, nơi các khí phải được tách ra và tuần hoàn trở lại lò phản ứng. Các ý tưởng cho hệ thống tuần hoàn như vậy sẽ yêu cầu làm lạnh khí trước khi nó có thể đi qua màng tách hydro - một bước tốn kém và tiêu hao nhiều năng lượng, đòi hỏi thêm máy móc và thiết bị.

“Một trong những câu hỏi mà chúng tôi đang suy nghĩ là: Liệu chúng ta có thể phát triển các màng có thể đặt càng gần lò phản ứng càng tốt và hoạt động ở nhiệt độ cao hơn, để chúng ta không cần phải hút khí ra và làm nguội trước?”, Karnik nói. “Điều đó sẽ cho phép tạo ra các hệ thống nhiệt hạch tiết kiệm năng lượng hơn, và do đó rẻ hơn và nhỏ gọn hơn”.

Các nhà nghiên cứu đã tìm cách cải thiện khả năng chịu nhiệt của màng palladium. Palladium là kim loại hiệu quả nhất được sử dụng hiện nay để tách hydro từ nhiều hỗn hợp khí khác nhau. Nó tự nhiên hút các phân tử hydro (H₂ ₎ đến bề mặt của mình, nơi các electron của kim loại tương tác và làm suy yếu các liên kết của phân tử, khiến H₂ tạm thời tách ra thành các nguyên tử riêng lẻ. Sau đó, các nguyên tử riêng lẻ khuếch tán qua kim loại và kết hợp lại ở phía bên kia dưới dạng hydro tinh khiết.

Palladium có khả năng thẩm thấu hydro, và chỉ hydro, từ các dòng khí khác nhau rất hiệu quả. Tuy nhiên, các màng lọc thông thường thường chỉ hoạt động được ở nhiệt độ lên đến 800 Kelvin trước khi màng bắt đầu hình thành lỗ hoặc vón cục thành giọt, cho phép các khí khác đi qua.

Cắm điện

Karnik, Kim và các đồng nghiệp đã áp dụng một phương pháp thiết kế khác. Họ quan sát thấy rằng ở nhiệt độ cao, palađi sẽ bắt đầu co lại. Về mặt kỹ thuật, vật liệu này hoạt động để giảm năng lượng bề mặt. Để làm được điều này, palađi, và hầu hết các vật liệu khác, thậm chí cả nước, sẽ tách ra và tạo thành các giọt có năng lượng bề mặt nhỏ nhất. Năng lượng bề mặt càng thấp, vật liệu càng ổn định hơn khi tiếp tục bị nung nóng.

Điều này đã mang lại cho nhóm một ý tưởng: Nếu các lỗ rỗng của vật liệu hỗ trợ có thể được "bịt kín" bằng các lớp palladium - về cơ bản đã tạo thành một giọt có năng lượng bề mặt thấp nhất - thì không gian chật hẹp đó có thể làm tăng đáng kể khả năng chịu nhiệt của palladium trong khi vẫn duy trì được tính chọn lọc của màng đối với hydro.

Để kiểm tra ý tưởng này, họ đã chế tạo các mẫu màng nhỏ kích thước chip bằng cách sử dụng lớp nền silica xốp (mỗi lỗ xốp rộng khoảng nửa micron), trên đó họ phủ một lớp palladium rất mỏng. Họ đã áp dụng các kỹ thuật để về cơ bản là đưa palladium vào bên trong các lỗ xốp, và đánh bóng bề mặt để loại bỏ lớp palladium và chỉ để lại palladium bên trong các lỗ xốp.

Sau đó, họ đặt các mẫu vào một thiết bị được chế tạo riêng, trong đó họ cho dòng khí chứa hydro với nhiều hỗn hợp và nhiệt độ khác nhau chảy qua để kiểm tra hiệu suất tách của màng. Màng vẫn ổn định và tiếp tục tách hydro khỏi các khí khác ngay cả sau khi chịu nhiệt độ lên đến 1.000 Kelvin trong hơn 100 giờ - một sự cải tiến đáng kể so với các màng dựa trên màng phim thông thường.

“Việc sử dụng màng phim palladium thường bị giới hạn ở nhiệt độ dưới khoảng 800 Kelvin, sau đó chúng sẽ bị xuống cấp”, Kim nói. “Do đó, thiết kế nút bịt của chúng tôi giúp kéo dài khả năng chịu nhiệt hiệu quả của palladium thêm ít nhất khoảng 200 Kelvin và duy trì tính toàn vẹn lâu hơn nhiều trong điều kiện khắc nghiệt”.

Những điều kiện này nằm trong phạm vi của các công nghệ sản xuất hydro như cải tạo metan bằng hơi nước và cracking amoniac.

Quá trình cải tạo khí metan bằng hơi nước là một quy trình đã được thiết lập, đòi hỏi các hệ thống phức tạp và tiêu tốn nhiều năng lượng để xử lý sơ bộ khí metan thành dạng có thể chiết xuất hydro tinh khiết. Các bước xử lý sơ bộ như vậy có thể được thay thế bằng một "lò phản ứng màng" nhỏ gọn, trong đó khí metan sẽ chảy trực tiếp qua, và màng bên trong sẽ lọc ra hydro tinh khiết. Các lò phản ứng như vậy sẽ giảm đáng kể kích thước, độ phức tạp và chi phí sản xuất hydro từ quá trình cải tạo khí metan bằng hơi nước, và Kim ước tính rằng màng phải hoạt động đáng tin cậy ở nhiệt độ lên đến gần 1.000 Kelvin. Màng mới của nhóm nghiên cứu có thể hoạt động tốt trong điều kiện như vậy.

Phân hủy amoniac là một cách khác để sản xuất hydro, bằng cách "phân hủy" hoặc tách amoniac. Vì amoniac rất ổn định ở dạng lỏng, các nhà khoa học hình dung rằng nó có thể được sử dụng làm chất mang hydro và được vận chuyển an toàn đến trạm nhiên liệu hydro, nơi amoniac có thể được đưa vào lò phản ứng màng để tách hydro ra và bơm trực tiếp vào xe chạy bằng pin nhiên liệu. Quá trình phân hủy amoniac vẫn chủ yếu ở giai đoạn thử nghiệm và trình diễn, và Kim cho biết bất kỳ màng nào trong lò phản ứng phân hủy amoniac có thể hoạt động ở nhiệt độ khoảng 800 kelvin - nằm trong phạm vi thiết kế dựa trên phích cắm mới của nhóm.

Karnik nhấn mạnh rằng kết quả của họ chỉ là bước khởi đầu. Việc áp dụng màng lọc vào các lò phản ứng đang hoạt động sẽ đòi hỏi phải phát triển và thử nghiệm thêm để đảm bảo nó vẫn đáng tin cậy trong thời gian dài hơn nhiều.

“Chúng tôi đã chứng minh rằng thay vì tạo ra một lớp màng, nếu bạn tạo ra các cấu trúc nano rời rạc, bạn có thể thu được các màng có độ ổn định nhiệt cao hơn nhiều”, Karnik nói. “Điều này mở ra một hướng đi mới để thiết kế màng cho nhiệt độ khắc nghiệt, với khả năng sử dụng lượng palladium đắt tiền ít hơn, hướng tới việc sản xuất hydro hiệu quả và tiết kiệm hơn. Tiềm năng ở đó là rất lớn”.

Công trình này được tài trợ bởi Eni SpA thông qua Sáng kiến ​​Năng lượng MIT.