Sử dụng plasma trong thiết kế pin

Các kỹ sư tại Đại học Case Western Reserve, Hoa Kỳ, đã chế tạo pin điện hóa sử dụng plasma làm điện cực thay vì kim loại.

Kết quả của nghiên cứu này đã được công bố trực tuyến trên Tạp chí The American Chemical Society.

Công nghệ mới này đã mở ra hướng mới cho việc thiết kế và sản xuất pin và pin nhiên liệu từ nhiên liệu hydro, vật liệu nano tổng hợp và các loại polyme.

"Plasma hình thành ở điều kiện môi trường xung quanh thường là những tia lửa: vốn không kiểm soát được, không ổn định và phá hủy", theo Mohan Sankaran, giáo sư kỹ thuật hóa học và là tác giả chính của nghiên cứu trên: Chúng tôi đã phát triển một nguồn plasma ổn định ở điều kiện áp suất khí quyển và nhiệt độ phòng, cho phép chúng tôi nghiên cứu và kiểm soát việc chuyển giao của các điện tử qua bề mặt chuyển tiếp giữa: plasma và một dung dịch điện phân.
Trong nghiên cứu này, các nhà khoa học đổ đầy pin điện hoá (thực chất hai lọ thuỷ tinh kết nối bằng ống thuỷ tinh) bằng dung dịch điện phân: ferixianua ka-li và clo-rua ka-li.

Ở cực âm (cathode), khí argon được bơm qua một ống thép không gỉ được đặt bên trên, cách dung dịch điện phân một khoảng ngắn. Một thành phần plasma nhỏ hình thành giữa ống thủy tinh và bề mặt chuyển tiếp.

Cực dương (Anode) là một miếng bạc (hoặc là clorua bạc). Khi dòng điện đi qua plasma, ferixianua bị mất điện tử nên biến thành feroxyanua.

Quan sát thông qua quang phổ tia cực tím, các nhà nghiên cứu có thể nhận thấy: các điện tử trong dung dịch đã bị mất mát theo một tỷ lệ tương đối ổn định và mỗi phân tử ferixianua bị mất đi sẽ biến thành một phân tử feroxyanua.

Khi gia tăng cường độ dòng điện, thì tỷ lệ mất mát điện tử cũng gia tăng theo. Thử nghiệm ở cả hai điện cực cho thấy dòng điện vẫn được duy trì.

Tuy nhiên, các nhà nghiên cứu đã phát hiện ra 02 nhược điểm:

Chỉ có khoảng 1 trong 20 điện tử đi qua plasma có tham gia trong phản ứng giảm. Các nhà nghiên cứu suy đoán rằng các điện tử bị mất đã được chuyển đổi thành các phân tử hydro trong nước, hoặc đã tham gia vào phản ứng khác mà hiện tại chưa được phát hiện. Nhóm nghiên cứu đang thiết lập các thử nghiệm mới để tìm hiểu hiện tượng này.

Ngoài ra, năng lượng cần thiết để hình thành plasma và tạo ra các phản ứng điện hóa cao, về thực chất là nhiều hơn so với lượng năng lượng cần thiết để tạo ra phản ứng với các âm cực kim loại.

Các nhà nghiên cứu nhận thấy mô hình đầu tiên trong nghiên cứu này có thể không hiệu quả như những gì mà hầu hết các ngành công nghiệp đòi hỏi, nhưng công nghệ này có tiềm năng được sử dụng trong nhiều ứng dụng khác nhau.

Cùng với Giáo sư Sankaran, Seung đã quét plasma trên một màng mỏng để giảm thiểu các ion dương kim loại tạo thành các hạt nano kim loại kết tinh theo mẫu.

"Mục tiêu là sản xuất ra các cấu trúc nano ở quy mô nhỏ, vốn có thể được thực hiện với kỹ thuật khắc hình (in đá) trong chân không (nhưng trong thí nghiệm này lại được thực hiện trong một căn phòng mở)", theo Seung.

Các nhà nghiên cứu hiện đang nỗ lực làm rõ: liệu điện cực plasma có thể thay thế các điện cực truyền thống, với các ứng dụng như: chuyển đổi hydro trong nước thành khí hydro trên một quy mô lớn, biến đổi khí CO₂ thành nhiên liệu hữu ích và các chất hóa học như ethanol.

Các nhà nghiên cứu tiến hành tinh chỉnh các quá trình và thử nghiệm sự kết hợp tối ưu giữa: thiết kế điện cực và các phản ứng hóa học cho các ứng dụng khác nhau.

Đồng tác giả với Giáo sư Sankaran, trong nghiên cứu này gồm có: cựu sinh viên Carolyn Richmonds và Brandon Bartling; sinh viên Megan Witzke và Lee Seung Whan; 02 giáo sư kỹ thuật hóa học: Jesse Wainright và Chung-Chiun Liu.