Posts

Phát triển pin nhiên liệu vi sinh lấy năng lượng hoàn toàn bằng đất

/in /by

Một nhóm nghiên cứu của Đại học Northwestern đã chứng minh phương pháp mới đáng chú ý để tạo ra điện, với thiết bị có kích thước bằng bìa mềm đặt trong đất và thu năng lượng được tạo ra khi vi khuẩn phân hủy chất bẩn.

Pin nhiên liệu vi sinh đã tồn tại hơn 100 năm. Chúng hoạt động hơi giống một cục pin, với cực dương, cực âm và chất điện phân – nhưng thay vì lấy điện từ các nguồn hóa học, chúng hoạt động với vi khuẩn cung cấp điện một cách tự nhiên cho các dây dẫn gần đó khi chúng ăn vào đất.

Vấn đề cho đến nay là cung cấp nước và oxy cho chúng trong khi bị chôn vùi trong đất. Cựu sinh viên UNW và trưởng dự án Bill Yen cho biết: “Mặc dù pin nhiên liệu vi sinh vật đã tồn tại như một khái niệm trong hơn một thế kỷ, nhưng hiệu suất không đáng tin cậy và công suất đầu ra thấp đã cản trở nỗ lực sử dụng chúng trong thực tế, đặc biệt là trong điều kiện độ ẩm thấp”.

Vì vậy, nhóm nghiên cứu đã bắt đầu tạo ra một số thiết kế mới nhằm cung cấp cho các tế bào khả năng tiếp cận liên tục với oxy, nước và đã thành công với thiết kế có hình dạng giống như một hộp mực đặt thẳng đứng trên một đĩa nằm ngang. Cực dương bằng nỉ carbon hình đĩa nằm ngang ở đáy thiết bị, chôn sâu trong đất nơi nó có thể thu giữ các electron khi vi khuẩn tiêu hóa chất bẩn.


Pin nhiên liệu vi sinh vật được chôn trong đất và tạo ra năng lượng.

Trong khi đó, cực âm kim loại dẫn điện nằm thẳng đứng trên đỉnh cực dương. Do đó, phần dưới cùng nằm đủ sâu để có thể tiếp cận hơi ẩm từ lớp đất sâu, trong khi phần trên nằm ngang với bề mặt. Một khe hở không khí trong lành chạy dọc theo chiều dài điện cực, một nắp bảo vệ phía trên ngăn bụi bẩn, mảnh vụn rơi vào và cắt đứt khả năng tiếp cận oxy của cực âm. Một phần của cực âm cũng được phủ lớp vật liệu chống thấm để khi bị ngập nước, vẫn còn một phần kỵ nước của cực âm tiếp xúc với oxy để duy trì hoạt động của pin nhiên liệu.

Trong thử nghiệm, thiết kế này hoạt động ổn định ở các mức độ ẩm khác nhau của đất, từ hoàn toàn ở dưới nước đến “hơi khô” với chỉ 41% nước theo thể tích trong đất. Trung bình nó tạo ra lượng điện năng gấp 68 lần mức cần thiết để vận hành các hệ thống phát hiện cảm ứng và độ ẩm trên tàu, đồng thời truyền dữ liệu qua một ăng-ten nhỏ đến trạm gốc gần đó.

Theo trưởng dự án Bill Yen: “Với hàng nghìn tỷ loại pin như hiện nay, chúng ta không thể chế tạo từng thiết bị bằng lithium, kim loại nặng và chất độc nguy hiểm cho môi trường. Chúng ta cần tìm giải pháp thay thế cung cấp lượng năng lượng thấp cho mạng lưới thiết bị phi tập trung. Để tìm kiếm giải pháp, chúng tôi đã xem xét các pin nhiên liệu vi sinh vật trong đất, sử dụng vi khuẩn đặc biệt để phân hủy đất và sử dụng lượng năng lượng thấp đó để cung cấp năng lượng cho các cảm biến. Miễn là có carbon hữu cơ trong đất để vi khuẩn phân hủy, pin nhiên liệu có thể tồn tại mãi mãi”.

Do đó, cảm biến như thế này có thể rất hữu ích cho những người nông dân muốn theo dõi các yếu tố khác nhau của đất như độ ẩm, chất dinh dưỡng, chất gây ô nhiễm,… và áp dụng phương pháp tiếp cận nông nghiệp chính xác dựa trên công nghệ.

Theo nhóm nghiên cứu, có lẽ phần thú vị nhất ở đây là tất cả thành phần của thiết kế đều có thể được mua sẵn tại một cửa hàng đồ kim khí. Vì vậy, không có vấn đề gì về chuỗi cung ứng hoặc nguyên liệu giữa nghiên cứu này và thương mại hóa rộng rãi.

Hà My
https://vietq.vn/phat-trien-pin-nhien-lieu-vi-sinh-lay-nang-luong-hoan-toan-bang-dat-s18-d218137.html

Năng lượng xanh – Tận dụng lông gà để sản xuất pin Hydro

/in /by

Năng lượng Hydro được đánh giá là giải pháp thay thế tiềm năng cho năng lượng hóa thạch bên cạnh điện gió và điện mặt trời. Tuy nhiên chi phí sản xuất lại là vấn đề nan giải.

Theo ông Raffaele Mezzenga – Giáo sư Thực phẩm và Vật liệu mềm tại ETH Zurich, cho biết “Hydro là nguyên tố dồi dào nhất vũ trụ, nhưng không may là trên Trái Đất thì không như vậy”. Ở đây, Hydro không tồn tại ở dạng nguyên chất nên phải trải qua quá trình sản xuất và tốn nhiều năng lượng.


Sản xuất năng lượng siêu sạch Hydro. Ảnh minh họa

Cụ thể pin nhiên liệu Hydro tạo ra điện bằng cách sử dụng màng bán thấm. Tuy nhiên, loại màng này thường được sản xuất bằng các “hóa chất vĩnh cửu” đắt đỏ, không thân thiện với môi trường, độc hại và có nguy cơ gây ung thư.

Để giải quyết vấn đề đó, nhóm nghiên cứu tại Viện Công nghệ Liên bang Thụy Sĩ (ETH Zurich) và Đại học Công nghệ Nanyang Singapore (NTU) đã nghiên cứu và tìm ra phương pháp mới để sản xuất các màng này

Theo Interesting Engineering, các nhà nghiên cứu đã chiết xuất protein keratin từ lông gà thải và biến nó thành những sợi siêu nhỏ gọi là amyloid bằng quy trình thân thiện với môi trường. Sau đó, những sợi keratin siêu nhỏ này được sử dụng cho màng pin nhiên liệu.


Lông gà được nghiên cứu để làm màng bán thấm. Ảnh minh họa

Loại màng mới rất hứa hẹn vì không chỉ dùng được trong pin nhiên liệu mà còn trong quá trình điện phân (dùng điện tách nước thành Hydro và Oxy). Trong quá trình này, dòng điện một chiều truyền qua nước, khiến Oxy hình thành ở cực anode tích điện dương, trong khi Hydro thoát ra ở cực cathode tích điện âm. Nước tinh khiết không đủ dẫn điện và thường cần bổ sung axit. Tuy nhiên, loại màng mới có thể cho proton thấm qua, nhờ đó cho phép các hạt di chuyển giữa cực anode và cực cathode, giúp điện phân hiệu quả kể cả trong nước tinh khiết.

Theo thống kê hàng năm, có khoảng 40 triệu tấn lông gà bị đốt bỏ. Quá trình này không chỉ tạo ra lượng khí thải CO2 khổng lồ mà còn tạo ra những loại khí độc hại như SO2. Dùng lông gà để sản xuất năng lượng Hydro sẽ là một cách hiệu quả để xử lý rác thải từ ngành chăn nuôi gia cầm. Tuy nhiên, vẫn còn những thách thức cần vượt qua trước khi Hydro trở thành nguồn năng lượng bền vững ổn định.

Bước tiếp theo, nhóm chuyên gia sẽ kiểm tra tính ổn định và độ bền của màng keratin mới và cải tiến nếu cần. Họ đã nộp đơn xin cấp bằng sáng chế và đang tìm kiếm các nhà đầu tư hoặc công ty để giúp tiếp tục phát triển công nghệ và thương mại hóa.

Duy Trinh (theo Interesting Engineering )
https://vietq.vn/nang-luong-xanh—tan-dung-long-ga-de-san-xuat-pin-hydro-d215339.html

Loại pin đặc biệt có khả năng biến glucose thành điện năng

/in /by

Các kỹ sư tại Viện Công nghệ Massachusets (MIT) và Đại học Kỹ thuật Munich đã thiết kế loại pin nhiên liệu glucose mới, có thể chuyển đổi glucose trực tiếp thành điện năng.

Thiết bị này nhỏ gọn hơn các pin nhiên liệu glucose khác vì chỉ dày 400 nanomet hay có đường kính khoảng 1/100 sợi tóc người. Tuy nhiên, thiết bị kể trên lại có thể đạt mật độ năng lượng hơn so với các loại pin nhiên liệu glucose hiện có trong điều kiện môi trường xung quanh.

Thiết bị mới cũng có khả năng đàn hồi và chịu mức nhiệt 600 độ C. Nếu được lồng ghép vào thiết bị cấy ghép trong y tế, pin nhiên liệu vẫn duy trì ổn định thông qua quy trình khử trùng ở nhiệt độ cao cần cho tất cả các thiết bị cấy ghép.

Điểm cốt lõi của thiết bị mới là được làm từ gốm, loại vật liệu vẫn giữ được tính chất điện hóa ngay cả ở nhiệt độ cao và trên quy mô nhỏ. Các nhà nghiên cứu cho rằng thiết kế mới có thể được gắn vào các màng hoặc lớp phủ siêu mỏng và bao xung quanh các mô cấy để cung cấp năng lượng thụ động cho các thiết bị điện tử nhờ có nguồn cung cấp glucose dồi dào của cơ thể.

“Glucose có ở khắp mọi nơi trong cơ thể và ý tưởng của nghiên cứu là thu và sử dụng nguồn năng lượng sẵn có này để cấp điện cho các thiết bị cấy ghép”, Philipp Simons, đồng tác giả nghiên cứu nói. “Trong nghiên cứu, chúng tôi đã chứng minh phương pháp điện hóa pin nhiên liệu glucose mới”.

Jennifer L. M. Rupp, một trong các tác giả nghiên cứu cho biết: “Thay vì sử dụng pin có thể chiếm 90% thể tích mô cấy, bạn có thể tạo ra một thiết bị màng mỏng và nguồn điện không chiếm diện tích”.


Loại pin nhiên liệu glucose mới có thể chuyển đổi glucose trực tiếp thành điện năng.

Thiết kế cơ bản của pin nhiên liệu glucose bao gồm ba lớp: cực dương trên cùng, chất điện phân ở giữa và cực âm dưới cùng. Cực dương phản ứng với glucose trong chất dịch của cơ thể, biến đổi đường thành axit gluconic. Chuyển đổi điện hóa này giải phóng một cặp proton và một cặp electron.

Chất điện phân ở giữa có tác dụng tách proton khỏi các electron, dẫn proton đi qua pin nhiên liệu, nơi chúng kết hợp với không khí để tạo thành các phân tử nước, sản phẩm phụ vô hại lưu thông cùng chất dịch của cơ thể. Trong khi đó, các electron tách ra di chuyển ra mạch ngoài và được dùng để cấp điện cho thiết bị điện tử.

Nhóm nghiên cứu đã tìm cách cải tiến các vật liệu và thiết kế hiện có bằng cách thay đổi lớp điện phân, thường được làm từ polime. Cụ thể, chất điện phân đã được làm từ xeria, vật liệu gốm có độ dẫn điện bằng ion ở mức cao, bền về mặt cơ học và do đó được sử dụng rộng rãi làm chất điện phân trong pin nhiên liệu hydro. Nó cũng đã được chứng minh là tương thích sinh học.

Các nhà khoa học đã kẹp chất điện phân giữa cực dương và cực âm làm bằng bạch kim, vật liệu ổn định dễ phản ứng với glucose. Kết quả cho ra đời 150 pin nhiên liệu glucose riêng lẻ trên một con chip, mỗi pin mỏng khoảng 400 nanomet và rộng khoảng 300 micromet.

Nhóm nghiên cứu đã tạo khuôn mẫu pin trên các tấm silic, cho thấy thiết bị này có thể được ghép nối với một vật liệu bán dẫn thông thường. Sau đó, các tác giả đã đo dòng điện sản sinh bởi mỗi pin khi họ cho dung dịch glucose chảy qua mỗi tấm wafer trong một trạm thử nghiệm được chế tạo riêng.

Kết quả là nhiều pin sản xuất điện áp cao nhất khoảng 80 milivôn. Với kích thước rất nhỏ của mỗi pin, sản lượng điện này có mật độ năng lượng cao nhất so với bất kỳ thiết kế pin nhiên liệu glucose nào hiện có. Theo các tác giả, nguồn điện này đủ để cung cấp cho các thiết bị cấy ghép.

Phong Lâm
https://vietq.vn/loai-pin-dac-biet-co-kha-nang-bien-glucose-thanh-dien-nang-d200373.html