Duy trì sự độc lập về năng lượng của Mỹ đòi hỏi phải giảm thiểu sự phụ thuộc vào nước ngoài trong việc sản xuất các hóa chất và nhiên liệu thông thường. Sử dụng các máy điện phân carbon dioxide để sản xuất các tiền chất hóa học có giá trị như ethylene là một cách để đa dạng hóa các nguyên liệu thô trong nước. Tuy nhiên, cho đến nay, các thiết bị này bị hạn chế bởi hiệu suất thấp, khiến chúng tiêu tốn nhiều năng lượng và tốn kém.

Trong một nghiên cứu mới, được công bố trên tạp chí Chem Catalysis, các nhà nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Lawrence Livermore (LLNL) đã thiết kế một loại mực polyme mới, được gọi là ionomer, để kiểm soát cách khí và nước di chuyển trong các thiết bị điện hóa. Bằng cách cân bằng và điều khiển cẩn thận hóa học của thiết bị, ionomer đã cải thiện hiệu quả năng lượng của quá trình chuyển đổi.

Nhà khoa học LLNL và là tác giả Aditya Prajapati cho biết: “Việc thêm đúng ionomer đã làm giảm tổng điện áp cần thiết để vận hành thiết bị”. “Điều đó có nghĩa là thiết bị tiêu thụ ít điện năng hơn để tạo ra cùng một lượng sản phẩm”.

Ionomer là một bộ phận nhỏ nhưng cực kỳ quan trọng của thiết bị điện hóa.

Nicholas Cross, nhà nghiên cứu sau tiến sĩ và là tác giả tại LLNL cho biết: “Thiết bị của chúng tôi có kích thước bằng một chiếc bánh sandwich, với một vài lớp mỏng được xếp chồng lên nhau. Khí carbon dioxide chảy vào từ một phía và điện năng sẽ thúc đẩy phản ứng bên trong”.

Bên trong thiết bị, carbon dioxide gặp một lớp xúc tác đồng kích hoạt phản ứng để biến nó thành ethylene, một chất cấu tạo nên nhựa. Ionomer đã được phun như một lớp phủ lên lớp đồng này.

Nhà khoa học LLNL và là tác giả Maxwell Goldman cho biết: “Bạn có thể coi ionomer như một người điều khiển giao thông cho các phân tử: nó kiểm soát hóa học của bề mặt xúc tác và đảm bảo lượng nước và carbon dioxide phù hợp đến được chất xúc tác”. “Nếu không có nó, quá nhiều nước có thể làm ngập thiết bị, hoặc quá ít có thể làm phản ứng bị ‘đói’”.

Ionomer giữ cho phản ứng cân bằng, giúp cắt giảm năng lượng cần thiết để tạo ra các sản phẩm có giá trị như ethylene.

Để tạo ra bộ điều khiển giao thông quan trọng này, nhóm nghiên cứu đã cẩn thận gắn các hóa chất vào một khung polyme ổn định. Họ đã thử nghiệm thiết bị có và không có ionomer và khám phá một số loại ionomer với khả năng hấp thụ nước khác nhau.

Nhà khoa học LLNL và là tác giả Chris Hahn cho biết: “Chúng tôi phát hiện ra rằng lượng nước mà ionomer giữ lại - 'hàm lượng nước' - là một yếu tố mạnh mẽ kiểm soát lượng ethylene được tạo ra”. “Nếu có quá ít ionomer, thiết bị sẽ bị ngập; nếu có quá nhiều, nó sẽ lãng phí năng lượng. Tìm thấy sự cân bằng phù hợp cho phép chúng tôi vận hành thiết bị ở hiệu suất cao và điện áp thấp”.

Các nhà nghiên cứu nhấn mạnh rằng việc cải thiện hiệu suất thiết bị và sự hiểu biết sâu sắc về ionomer có được là nhờ sự kết hợp giữa hóa học polyme, các thí nghiệm và mô hình hóa đa vật lý. Họ hy vọng công trình này sẽ hướng dẫn thiết kế thế hệ polyme tiếp theo trong các thiết bị điện hóa.

P.T.T (NASTIS), theo https://phys.org/news/, 2025-