Tháng 8.2014, hiện tượng nở hoa của tảo độc hại (harmful algal bloom-HAB) theo mùa ở Lake Erie đã phát triển vô cùng mạnh đến mức chúng làm nhiễm độc hệ thống nước ở Toledo, Ohio, làm cho gần nửa triệu người không có nước uống. Một số nhà nghiên cứu đã thu thập được một số HAB độc hại tại thời điểm đó và sau các nghiên cứu cho thấy, bằng cách đốt nóng ở nhiệt độ từ 700-10000C trong khí argon, HAB có thể chuyển đổi thành vật liệu “cacbon cứng” có thể được sử dụng làm điện cực công suất cao, chi phí thấp cho pin natri-ion (Na-ion).
“HAB, do vi khuẩn lam (hay còn gọi là tảo lục-lam) gây ra, đe dọa nghiêm trọng con người, vật nuôi và động vật hoang dã, dẫn đến bệnh tật và thậm chí cả tử vong”, Da Deng - TS kỹ thuật môi trường tại Đại học Bang Wayne, người dẫn dắt nghiên cứu cho biết. “Khủng hoảng nước ở Toledo năm 2014 do HAB ở Lake Erie gây ra là một ví dụ sinh động về tác động nguy hại và mạnh mẽ của chúng. Các công nghệ để giảm thiểu HAB hiện nay được coi là công nghệ “thụ động” và có những hạn chế nhất định. Nếu các công nghệ thay thế có thể được phát triển để chuyển đổi HAB thành các sản phẩm chức năng có giá trị cao, điều này sẽ các tác động đáng kể và rộng rãi đến môi trường và xã hội của chúng ta”.
Như Deng giải thích, một trong những sản phẩm có giá trị cao như vậy có thể là các điện cực cho pin Na-ion, có tiềm năng thay thế pin lithi-ion (Li-ion) được sử dụng chủ yếu hiện nay.
“Chúng tôi đã chứng minh việc chuyển đổi HAB tươi được thu từ Lake Erie thành các điện cực hiệu suất cao cho pin Na-ion”, ông nói. “Công nghệ này có thể hứa hẹn giảm thiểu HAB để khắc phục các mối đe dọa đối với môi trường và cung cấp các điện cực ‘xanh’ cho tích trữ natri có thể đảo ngược trong pin Na-ion”.
Deng giải thích, công nghệ pin Na-ion vẫn còn trong giai đoạn trứng nước so với pin Li-ion. Một trong những thách thức trong phát triển pin Na-ion là cần tìm được một vật liệu điện cực đáng tin cậy. Trong khi graphit thường được sử dụng làm điện cực trong pin Li-ion, các ion Na lớn hơn không phù hợp với các cấu trúc graphit như các ion Li nhỏ hơn. Thay vào đó, các ion Na phù hợp tốt hơn trong cacbon cứng, loại vật liệu không có trật tự hơn so với graphite và chứa một lượng lớn hơn các khiếm khuyết và khoảng trống lớn có thể lưu trữ các ion Na lớn hơn.
Trong khi cacbon cứng được chiết xuất chủ yếu từ dầu mỏ, nó cũng có thể được chế tạo từ sinh khối. Trong nghiên cứu này, lần đầu tiên HAB (cụ thể là tảo lục-lam) được chuyển đổi trực tiếp thành cacbon cho pin Na-ion. HAB có các lợi thế là chúng phát triển nhanh chóng và không cần đất. Và như các nhà nghiên cứu chỉ ra ở đây, HAB có thể dễ dàng được chuyển đổi thành cacbon cứng bằng cách xử lý nhiệt đơn giản mà không cần phải tinh chế hoặc các quá trình bổ sung khác.
Sau khi đun nóng tảo, các nhà nghiên cứu tạo ra các điện cực là một hỗn hợp gồm 80% cacbon cứng có nguồn gốc từ tảo, 10% cacbon đen (để tăng cường độ dẫn điện) và 10% chất kết dính. Sau khi làm khô hỗn hợp này qua đêm, họ lắp ráp nó vào các pin dạng tròn (coin cell) với lá natri làm điện cực đối. Các thử nghiệm cho thấy các điện cực khi bắt đầu hoạt động với công suất cao lên đến 440 mAh/g, nhưng công suất giảm xuống còn khoảng 230 mAh/g sau chu kỳ đầu tiên sau đó duy trì công suất này từ chu kỳ thứ 2 trở đi. Các nhà nghiên cứu cũng phát hiện ra rằng một số yếu tố hiệu suất, bao gồm cả công suất và độ ổn định, phụ thuộc vào nhiệt độ tảo được đun nóng, chỉ ra một cách thức để cải thiện hiệu suất của chúng trong tương lai.
“Nghiên cứu của chúng tôi trong tương lai sẽ tập trung vào việc tối ưu hóa hiệu suất điện hóa của cacbon được chuyển hóa từ HAB trong pin Na-ion”, Deng nói. “Chúng tôi sẽ cố gắng giải quyết vấn đề công suất bị giảm trong chu kỳ đầu tiên trong pin Na-ion. Chúng tôi cũng quan tâm đến việc phát triển các phương pháp để thu hoạch quy mô lớn HAB và nghiên cứu tác động của chúng đến hệ sinh thái”.
Nhìn chung, các nhà nghiên cứu giải thích rằng, quy trình này giải quyết được đồng thời 2 vấn đề: giảm thiểu các vấn đề do HAB gây ra trong các hồ nước ngọt và cung cấp vật liệu điện cực hữu ích cho pin Na-ion, một phương pháp có lợi thế lớn về chi phí so với pin Li-ion. Để minh họa, các nhà nghiên cứu lưu ý rằng, pin Li-ion có giá khoảng 410 USD/kWh trong năm 2014, trong khi giá bán lẻ điện bình quân ở Hoa Kỳ là khoảng 10 cent cho mỗi kWh. Do natri nhiều và phong phú hơn lithi, pin Na-ion được cho là có giá thành hạ hơn trong tương lai.
Nguồn: Tạp chí khoa học và công nghệ Việt Nam