Pin nhiên liệu dạng ôxít rắn, sử dụng các phương pháp điện hóa cho phép tạo ra năng lượng hiệu quả hơn các loại máy phát điện sử dụng quá trình đốt, đầy triển vọng thay thế cho các nhà máy điện thông thường. Tuy nhiên, loại pin này lại hư hỏng quá nhanh, so với hiệu quả năng lượng mà nó mang lại, làm gia tăng chi phí.
Dane Morgan, giáo sư khoa học vật liệu và kỹ thuật tại UW-Madison, người đứng đầu nghiên cứu cho biết: "Pin nhiên liệu là công nghệ thú vị, có tính đột phá. Tuy nhiên, vấn đề hư hỏng nhanh lại là một trở ngại lớn cho người tiêu dùng". Qua tạp chí Nature Communications, ông và các cộng sự đã giới thiệu những phát hiện của họ gần đây.
Một lý do khiến pin nhiên liệu mau xuống cấp là do chúng phải hoạt động ở nhiệt độ cực cao (quá 1.500 độ F) để tiến hành các phản ứng hóa học tạo ra điện. Pin nhiên liệu kết hợp oxy với nguồn nhiên liệu bên ngoài (quá trình tương tự như biến đổi quang, nhiệt xảy ra với lửa cháy). Tuy nhiên, các tế bào nhiên liệu thực hiện các phản ứng hóa học để tạo ra năng lượng mà không phát sinh quá trình cháy, khiến cho hiệu suất của pin cao hơn đáng kể so với quá trình đốt.
Pin nhiên liệu gồm có hai điện cực tách biệt bởi chất điện phân. Một điện cực (gọi là cực âm) tách oxy trong không khí thành các nguyên tử riêng lẻ, rồi kết hợp chúng với nhiên liệu. Điểm quan trọng là các điện tử giải phóng khỏi oxy có thể di chuyển qua một mạch điện.
Tuy nhiên, do oxy có tính ổn định khá cao nên rất khó phân tách. Và những nỗ lực để kiểm soát các phản ứng có hiệu quả ở nhiệt độ thấp, với các vật liệu tương thích là một thách thức rất lớn với các nhà nghiên cứu. "Trước đây, các nhà nghiên cứu thực sự không biết các tỉ lệ giới hạn để oxy phân tách và xâm nhập vào vật liệu", Yipeng Cao, nghiên cứu sinh chính cho biết.
Để đi vào cực âm, phân tử khí oxy phải tách thành hai nguyên tử. Sau đó, mỗi nguyên tử phải tiếp cận được một khoảng trống phân tử nhỏ ở bề mặt vật liệu để xâm nhập. Nhận biết được quá trình này là rất khó, vì nó xảy ra ở các lớp nguyên tử trên cùng của cực âm, với các đặc tính hóa học có thể hoàn toàn khác với phần lớn vật liệu còn lại.
"Đo đạc các thành phần, hóa tính của hai lớp trên bề mặt vật liệu là vô cùng khó khăn" Morgan nói. Vì vậy, các nhà nghiên cứu đã sử dụng mô phỏng máy tính. Là các chuyên gia hàng đầu trong mô hình hóa phân tử, họ đã kết hợp lý thuyết chức năng mật độ và mô hình động học để nghiên cứu ở cấp độ nguyên tử về các phản ứng xảy ra ở hai lớp trên cùng của cực âm.
Nhóm nghiên cứu xác định được rằng, việc phân tách không phải là giới hạn ở vật liệu nghiên cứu. Họ nhận thấy rằng, những hạn chế của tế bào nhiên liệu tùy thuộc vào cách các nguyên tử oxy xâm nhập vào chỗ trống trên bề mặt vật liệu.
Vật liệu có nhiều khoảng trống hơn sẽ có giúp pin nhiên liệu hiệu quả hơn. "Điều này cho phép thiết kế vật liệu theo cách mà trước đây có thể rất khó thực hiện", Morgan nói.
Các nhà nghiên cứu tập trung vào lanthanum strontium cobaltate, một loại vật liệu đặc biệt thường dùng phổ biến để làm catốt tế bào nhiên liệu. Họ cũng có kế hoạch mở rộng nghiên cứu ra các loại vật liệu khác. "Tuy vẫn còn sớm, nhưng chúng ta đã có thể kiểm soát tốt hơn quá trình vận hành", Morgan nói.