Nghiên cứu này là một trong 10 sáng kiến xuất sắc tại cuộc thi Sáng kiến thanh niên về chuyển đổi năng lượng, đảm bảo công xã hội, diễn ra tại Đà Nẵng hồi cuối tháng 1. Nhóm sinh viên gồm Bùi Đặng Đăng Khoa, Chế Quang Công, Lê Hoàng Long, Phan Phạm Đức Minh, sinh viên trường Đại học Bách khoa và Phạm Nguyễn Đăng Tuyên, trường Đại học Khoa học Xã hội và Nhân văn, Đại học Quốc gia TP HCM.
5 sinh viên sẽ được hỗ trợ về chuyên môn và tài chính (50 triệu đồng) để tiếp tục nghiên cứu trong 6 tháng tới.
Đăng Khoa cho biết ý tưởng nghiên cứu đến với nhóm trong một lần tình cờ tìm hiểu công việc của bác sĩ châm cứu. Bác sĩ Nguyễn Hữu Đức Minh, trường Đại học Y Dược TP HCM, "than" máy điện châm lưu động truyền xung điện không ổn định. Tò mò, nhóm lần hỏi các bác sĩ y học cổ truyền khác và nhận về phản hồi tương tự, nguyên nhân là pin dùng cho máy yếu, tuổi thọ ngắn. Từ đó, nhóm hướng đến nghiên cứu siêu tụ điện để trữ năng lượng, thay thế cho pin trong máy châm cứu hoặc dùng cho ắc quy trong phương tiện giao thông và các thiết bị điện tử khác.
Đăng Khoa (trái) và Quang Công nhận giải tại cuộc thi Sáng kiến thanh niên về chuyển đổi năng lượng và đảm bảo công bằng xã hội, tháng 1. Ảnh: Nhân vật cung cấp
Khoa giải thích tụ điện có thể hiểu nôm na như nút nguồn của điện thoại. Khi người dùng bấm vào nút nguồn thì điện thoại khởi động, dòng điện được "xả" ra và "nạp" lại khi không bấm nút. Tụ điện có ưu điểm là nạp nhanh và xả nhanh do điện trở thấp. Nhưng nếu tụ điện và pin đứng riêng lẻ sẽ không hiệu quả. Do đó, nhóm quyết định chế tạo pin lai siêu tụ điện.
"Nhóm chọn hướng nghiên cứu carbon aerogel vì trên thế giới đã có những nghiên cứu cho thấy vật liệu này có tiềm năng sản xuất siêu tụ điện. Tuy nhiên, các quy trình tổng hợp carbon aerogel còn phức tạp, tốn hóa chất, thời gian nên nhóm đã đi tìm giải pháp xanh, không sử dụng hóa chất", Khoa nói.
Trong đề tài trước đó về nhiên liệu đốt và than không khói từ lớp gai của vỏ sầu riêng, Khoa và giảng viên hướng dẫn phát hiện vỏ trắng sầu riêng có nguyên liệu phù hợp cho việc tạo ra vật liệu carbon. Nam sinh ví đây như một điều kỳ diệu, là ý tưởng lớn cho nghiên cứu lần này.
Khoa giải thích về bản chất vỏ sầu riêng là nhiên liệu sinh khối, có thành phần hóa học là lignocellulose (cellulose, hemicellulose và lignin) - những hợp chất hữu cơ có thể nhiệt phân ra carbon. Ngoài ra, điểm khác biệt với các loại nhiên liệu sinh khối lignocellulose khác là lớp vỏ này rất xốp, góp phần tăng cấu trúc lỗ xốp cho vật liệu carbon, cho phép đẩy mạnh quá trình truyền khối của ion trong dung dịch điện ly, mang hiệu quả khuếch tán điện tử rất tốt, phù hợp làm điện cực trong siêu tụ điện, pin.
Trong khi đó, mỗi năm, nước ta có khoảng 120.000 tấn vỏ sầu riêng bị thải bỏ, là nguồn phụ phẩm khổng lồ. Mục tiêu của nhóm nếu chế tạo thành công pin lai siêu tụ điện từ vỏ trắng sầu riêng, không chỉ cung cấp năng lượng cho các thiết bị điện tử, giao thông mà còn giúp tận dụng nguồn phụ phẩm dồi dào, duy trì kinh tế tuần hoàn.
Trải qua quá trình thủy nhiệt, sấy thăng hoa và nhiệt phân nhanh, nhóm thành công thu được carbon aerogel. Nhóm mang đi đo điện hóa và thu được kết quả điện dung 200 F/g, mật độ năng lượng là 10 Wh/kg, ổn định qua 10.000 chu kỳ.
Khoa giải thích những chỉ số này cho thấy carbon aerogel là ứng viên sáng giá cho việc sản xuất tụ điện có dung lượng lớn, có thể lưu trữ và giải phóng một lượng lớn năng lượng nhanh chóng, thích hợp để làm pin cho thiết bị điện tử hoặc hỗ trợ cho các hệ thống năng lượng cần dòng điện ổn định. Mặc dù có mật độ năng lượng không cao bằng các loại pin lithium-ion (khoảng 100-265 Wh/kg), carbon aerogel vẫn có khả năng cung cấp đủ năng lượng cho các thiết bị điện tử nhỏ hoặc hệ thống cần mật độ năng lượng vừa phải, với ưu điểm là độ ổn định cao qua nhiều chu kỳ sạc, xả lâu dài, giảm nhu cầu thay thế hoặc bảo dưỡng thường xuyên.
Quá trình từ vỏ trắng sầu riêng đến khi thu được cacbon aerogel. Ảnh: Nhóm cung cấp
PGS.TS Nguyễn Đình Quân, giảng viên khoa Kỹ thuật Hóa học, trường Đại học Bách khoa, đánh giá kết quả nghiên cứu của nhóm là khả quan, có tiềm năng ứng dụng cao.
PGS Quân cho biết trên thế giới đã có một vài nghiên cứu tổng hợp, chế tạo cacbon từ nhiên liệu sinh khối để làm pin, tụ điện. Sự sáng tạo của nhóm nằm ở quá trình xử lý kỹ thuật để cho ra nguyên liệu carbon. Ngoài ra, phương pháp chế tạo không sử dụng quá nhiều hóa chất, ít gây hại môi trường và rút ngắn thời gian sản xuất.
"Từ một nguồn sinh khối hầu như không có ứng dụng nào, vỏ sầu riêng có thể được chế tạo thành nguyên liệu có giá trị để làm pin lai siêu tụ điện. Để nghiên cứu học thuật trở thành sản phẩm thương mại cần một hành trình rất dài nhưng nghiên cứu này có ý nghĩa khoa học rất tích cực", PGS Quân nhận xét.
Theo ông, quá trình tạo ra sản phẩm của nhóm đòi hỏi một số kỹ thuật đắt tiền như sấy thăng hoa, hoạt hóa rồi xử lý qua nhiều bước. Nếu so với các sản phẩm carbon thị trường, đây sẽ là trở ngại lớn về mặt kinh tế. Mặt khác, dù vỏ sầu riêng là phụ phẩm nhưng nguyên liệu này có nhiều thành phần phức tạp, để làm ra sản phẩm tinh khiết không phải dễ.
Sau kết quả nghiên cứu ban đầu, nhóm dự định sẽ đăng ký sáng chế về quy trình vật liệu và nghiên cứu để tìm ra điều kiện chế tạo cacbon aerogel một cách tối ưu. Kết quả nghiên cứu cũng dự kiến được báo cáo tại Hội nghị quốc tế Kỹ thuật Y sinh (BME10) tại Bình Thuận vào tháng 7 tới.
Lệ Nguyễn