Màng lọc gia cường kim cương nano giúp sản xuất hydro hiệu quả

Kim cương nano có kích thước siêu nhỏ, nhưng có thể là một vật liệu tuyệt vời, giúp giải quyết thách thức lớn nhất mà nhân loại phải đối mặt ngày nay, biến đổi khí hậu.

Hydro là loại nhiên liệu sạch, có thể thay thế nhiên liệu hoá thạch cung cấp năng lượng. Nhiều quốc gia coi hydro là con đường dẫn đến một tương lai không carbon, nhưng chuyển đổi nền kinh tế hóa thach sang kinh tế hydro đòi hỏi quy trình sản xuất phải có giá thấp hơn nhiều so với hiện tại.

Các nhà nghiên cứu Nhật Bản và quốc tế do Viện Khoa học Vật liệu Tế bào Tích hợp (iCeMS) thuộc Đại học Kyoto dẫn đầu, trong một nghiên cứu, được công bố trên Tạp chí Nature Energy gần đây đã giới thiệu màng composite, gia cố bằng kim cương nano có thể lọc sạch hydro khỏi hỗn hợp khí ẩm, khiến quy trình sản xuất hydro hiệu quả và tiết kiệm chi phí hơn rất nhiều.

GS Easan Sivaniah, chủ nhiệm nhóm iCeMS cho biết, có một số phương pháp có thể mở rộng để sản xuất hydro, nhưng hydro thường hiện diện dưới dạng hỗn hợp ẩm và việc tinh chế hỗn hợp không khí ẩm là một thách thức lớn. Công nghệ màng cho phép quá trình phân tách tiết kiệm và hiệu quả về năng lượng. Nhưng phải có vật liệu màng phù hợp để thực hiện quy trình này.

Graphene oxit (GO), một dẫn xuất hòa tan trong nước của graphit, có thể được lắp ráp thành màng lọc để tinh chế hydro. Khí hydro dễ dàng đi qua các bộ lọc này, các phân tử lớn hơn sẽ bị chặn lại.

Hydro thường được tách ra khỏi CO2 hoặc O2 trong điều kiện độ ẩm rất cao. Các tấm GO mang điện tích âm, nên đẩy nhau. Khi tiếp xúc với độ ẩm, các tấm tích điện âm đẩy nhau mạnh hơn, hình thành các khoảng trống giữa các tấm GO mà những phân tử nước sẽ tích tụ, dần dần làm tan màng.

Nếu gia cố thêm kim cương nano vào các tấm GO, sẽ triệt để giải quyết vấn đề phân hủy các tấm GO do độ ẩm gây ra, những viên kim cương nano mang điện tích dương làm triệt tiêu lực đẩy âm của màng, khiến các tấm GO xếp lại nhỏ gọn hơn và có khả năng chống nước.

Sơ đồ trực quan trừu tượng các tấm graphene oxit (lớp màu đen) nhúng với kim cương nano (các điểm trắng sáng). Kim cương nano tạo ra lực tĩnh điện tầm xa (vòng tròn trắng) ổn định các tấm GO trong điều kiện ẩm ướt, hình thành vật liệu màng tinh chế hydro. Tác giả Yasuhiro Chida và Toru Tsuji.

Trong quá trình hợp tác với TS Ryuji Igarashi thuộc Viện Khoa học Sự sống Lượng tử (QST), các nhà khoa học đã nhận được những viên kim cương nano với kích thước và chức năng xác định rõ ràng. Nhóm nghiên cứu của Igarashi có một công nghệ được cấp bằng sáng chế, cho phép mở rộng quy mô sản xuất kim cương nano với chi phí hợp lý trong tương lai.”

Kim cương nano có nhiều ứng dụng tiềm năng hơn ngoài việc sản xuất hydro. Ứng dụng kim cương nano trong kiểm soát độ ẩm có ý nghĩa quan trọng trong nhiều lĩnh vực như dược phẩm, chất bán dẫn và sản xuất pin lithium-ion. Công nghệ màng lọc sẽ cách mạng hóa điều hòa không khí bằng giải pháp loại bỏ độ ẩm hiệu quả.

Máy điều hòa không khí là một trong những cách làm mát kém hiệu quả do một lượng đáng kể điện năng được sử dụng để loại bỏ độ ẩm, gây lên nhiều khí thải CO2 hơn làm gia tăng hiệu ứng nhà kính. Việc sử dụng bộ lọc độ ẩm bằng vật liệu, gia cường thêm kim cương nano cho phép loại bỏ độ ẩm và giảm giá thành của điều hòa.