Energy Technology

Để hiện thực hóa một nền kinh tế hydrogen, một công nghệ quan trọng là lưu trữ hydrogen. Các vật liệu dựa trên magiê (MBMs) là những ứng cử viên đầy hứa hẹn cho lưu trữ hydrogen nhờ vào khả năng chứa hydrogen lớn và chi phí thấp. Những khó khăn trong việc phát triển các vật liệu lưu trữ hydrogen dựa trên magiê cho nhiều ứng dụng, đặc biệt là lưu trữ trên bờ, là động học kém và nhiệt động lực học không phù hợp. Bài viết này đánh giá các phương pháp và kỹ thuật mới được các nhà nghiên cứu trong lĩnh vực này áp dụng, với trọng tâm là cách mà các kỹ thuật khác nhau có thể ảnh hưởng đến tính chất lưu trữ hydrogen của MBMs, bao gồm động học và nhiệt động lực học. Dựa trên tiến triển hiện tại, xu hướng nghiên cứu trong MBMs cho nhiều ứng dụng khác nhau được giới thiệu. Những công trình cổ điển từ một số người tiên phong, các cột mốc quan trọng và sự phát triển mới nhất cho những ứng dụng khả thi này được tóm tắt, và triển vọng tương lai trong những lĩnh vực này được thảo luận.

Chúng tôi đã chứng minh rằng l‐methionine, một axit amin tự nhiên, có thể được sử dụng để tăng cường đáng kể động học hấp thụ CO₂ trong quá trình hình thành hydrate CO₂ mà không cần sử dụng các công nghệ trộn tiêu tốn năng lượng hoặc hóa chất gây hại cho môi trường. Theo như chúng tôi biết, l‐methionine là chất xúc tác hiệu quả nhất để tăng cường hình thành hydrate CO₂ (với nồng độ 0.2 wt %, khả năng khối lượng đạt được lên đến 356 mg g⁻¹ trong 1000 phút, và t₉₀ (thời gian để đạt được 90 % khả năng này) chỉ mất 15 phút). Chúng tôi cũng trình bày một lời giải thích sơ bộ về cơ chế xúc tiến của l‐methionine trong việc hình thành hydrate CO₂ từ góc độ mối quan hệ cấu trúc – tính chất, điều này sẽ giúp tìm kiếm các chất xúc tác hiệu quả hơn. Kết quả của chúng tôi có thể cung cấp khả năng ứng dụng thực tiễn cho công nghệ thu gom và lưu trữ CO₂ dựa trên hydrate.

Sử dụng các vật liệu thành phần titanat bari (BaTiO₃, BT), titanat stronti (SrTiO₃, ST), và titanat natri bismuth [(Na_1/2Bi_1/2)TiO₃, NBT], các gốm chống điện ferro không chứa chì của (1−x)[0.94NBT–0.06BT]–xST đã được chế tạo bằng các kỹ thuật thông thường. Cấu trúc vi mô, các tính chất điện và hiệu suất lưu trữ năng lượng của các gốm thu được đã được nghiên cứu chi tiết. Kết quả cho thấy rằng việc thêm ST có thể nâng cao sự khác biệt giữa cực đại phân cực (P_max) và phân cực còn lại (P_r), dẫn đến sự cải thiện các tính chất lưu trữ năng lượng. Mật độ năng lượng có thể phục hồi tối đa đạt 0.98 J cm⁻³ với hiệu suất tương đối cao là 82 % dưới điện trường 90 kV cm⁻¹ tại x=0.30, đồng thời cũng thể hiện sự ổn định lưu trữ năng lượng xuất sắc trong dải nhiệt độ từ nhiệt độ phòng đến 120 °C.

Trong nghiên cứu này, chúng tôi báo cáo về quá trình phát sinh hyđrô đầu tiên thực hiện trong một lò phản ứng quy mô lớn dưới ánh sáng mặt trời tự nhiên, sử dụng chất xúc tác quang carbon nitride được cố định trên chín tấm thép không gỉ bằng phương pháp drop-coating. Các màng ổn định đã được thu được, sản xuất khoảng 18 L hyđrô khí trong vòng một tháng vận hành với tỷ lệ phản ứng phát sinh hyđrô (HER) trung bình là 0,22 L kWh⁻¹. Tỷ lệ này có thể được dự đoán chính xác từ các thí nghiệm quy mô phòng thí nghiệm ban đầu trong những điều kiện được xác định rõ ràng. Hơn nữa, sản lượng hyđrô có mối tương quan với cường độ ánh sáng mặt trời. Dựa trên tổng năng lượng đầu vào, tỷ lệ chuyển đổi năng lượng mặt trời sang hyđrô (STH) tối đa đạt 0,12%.

Đối với lưu trữ năng lượng điện quy mô lưới, pin dòng oxy hóa khử (RFBs) được coi là công nghệ đầy hứa hẹn. Bài báo này khám phá ảnh hưởng của thành phần điện phân và quá trình vận chuyển ion đến hiệu suất tế bào bằng cách sử dụng phương pháp tích hợp giữa thí nghiệm và mô hình chi phí. Cụ thể, tác động của điện trở đặc thù khu vực lên khả năng hệ thống được làm sáng tỏ đối với pin RFB hydro/brom. Dữ liệu thí nghiệm cho thấy hiệu suất rất tốt với công suất tối đa 1,46 W cm⁻² và mật độ dòng điện giới hạn 4 A cm⁻² trong điều kiện môi trường cho thiết kế tế bào tối ưu và nồng độ tác nhân phản ứng. Dữ liệu và kết quả mô hình chi phí cho thấy rằng nồng độ các tác nhân phản ứng RFB cao hơn không nhất thiết dẫn đến chi phí vốn thấp hơn do có sự đánh đổi giữa hiệu suất tế bào và yêu cầu lưu trữ (bể chứa). Ngoài ra, thời gian xả và hiệu suất tổng thể thể hiện các hiệu ứng phi tuyến tính lên chi phí hệ thống, với thời gian xả tối thiểu từ 3 đến 4 giờ cho thấy một sự chuyển tiếp quan trọng đến trạng thái ổn định về chi phí cho các hệ thống RFB thông thường. Các kết quả được trình bày có thể áp dụng cho nhiều loại hóa học và công nghệ RFB khác nhau và nhấn mạnh tầm quan trọng của các hiệu ứng ohmic và điện trở đặc thù khu vực liên quan đến khả năng sống còn của RFB.

Sự tăng nhanh của điện trở điện cực và sự suy giảm dung lượng của các vật liệu catốt lớp Ni phong phú trong quá trình sạc xả điện áp cao có nguồn gốc từ sự suy thoái cấu trúc nghiêm trọng. Trong nghiên cứu này, chúng tôi trình bày một chiến lược khả thi, gắn khoảng 1% K⁺ vào các vị trí Li⁺ của LiNi_0.8Co_0.15Al_0.05O₂ như là một chất ổn định cấu trúc xuất sắc, nhằm khắc phục các vấn đề đã nêu, và so sánh những điểm tương đồng và khác biệt về cơ chế sửa đổi với Na⁺. Khác với Na⁺ khi có xu hướng di chuyển vào dung dịch điện phân trong quá trình sạc xả điện áp cao, K⁺ giữ vững vị trí Li⁺ nhờ vào bán kính ion lớn hơn và khả năng di chuyển thấp hơn, điều này bền vững ngăn chặn chuyển pha không thể đảo ngược giữa hai pha lục giác (H2 và H3) và cản trở di chuyển của cation trong trạng thái đã loại bỏ lithium cao, từ đó giảm thiểu sự suy thoái cấu trúc. Nhờ vào những đặc tính này, Li_0.99K_0.01Ni_0.8Co_0.15Al_0.05O₂ cung cấp dung lượng xả ban đầu lớn là 217 mAh g⁻¹ ở 0.1 C và duy trì chu trình ổn định ở 1 C ở điện áp cao 4.6 V (còn lại 87.4% dung lượng ban đầu sau 150 chu kỳ). Cơ chế được đề xuất trong công trình này, dựa trên tính ổn định cấu trúc tốt hơn dưới sạc xả điện áp cao nhờ vào việc gắn K⁺ trong các vật liệu catốt phong phú Ni, cung cấp một gợi ý quan trọng cho việc thiết kế hợp lý các vật liệu catốt tiên tiến nhằm theo đuổi pin lithium-ion có mật độ năng lượng cao.

Nghiên cứu này tập trung vào việc ngăn chặn hiện tượng sụt giảm điện áp và cải thiện hiệu suất điện hóa của vật liệu giàu Lithium và dựa trên mangan (LRM) bằng cách sử dụng lớp phủ Nb₂O₅, điều này được thực hiện qua một quy trình hóa học mềm hiệu quả sử dụng hỗn hợp ethanol và nước làm dung môi đồng. Sau khi được phủ Nb₂O₅, vật liệu thu được cho thấy hiệu suất điện hóa vượt trội như là vật liệu cực âm cho pin lithium. Đặc biệt, nó thể hiện khả năng duy trì dung lượng xuất sắc đạt 98 % sau 200 chu kỳ tại 1 C (1 C=250 mA g⁻¹). Hiện tượng sụt giảm điện áp trong quá trình chu kỳ cũng được ngăn chặn rõ rệt nhờ lớp phủ Nb₂O₅. Hơn nữa, nó biểu hiện khả năng cấp điện vượt trội, cung cấp 189 và 152 mAh g⁻¹ tại các mật độ dòng cao lần lượt là 2 và 5 C. Hiệu suất điện hóa được cải thiện của mẫu được phủ Nb₂O₅ có thể được quy cho việc Nb₂O₅ có khả năng ngăn chặn biến đổi pha và sụt giảm điện áp bằng cách đóng vai trò không chỉ là một dẫn điện ion nhanh chóng để tăng tốc độ khuếch tán ion lithium tại giao diện cực âm/dung dịch điện ly mà còn là một lớp bảo vệ trơ để giảm thiểu tiếp xúc trực tiếp giữa cực âm và dung dịch điện ly.

Quá trình pyrolyse nhanh xúc tác tại chỗ có thể được sử dụng để sản xuất dầu sinh học được nâng cấp một phần. Tuy nhiên, quá trình này gặp phải vấn đề với việc xúc tác bị mất hoạt tính nhanh chóng do sự hình thành cốc, điều này cần thiết phải sử dụng quá trình gia hồi xúc tác liên tục. Điều này có thể đạt được bằng cách sử dụng một lò phản ứng bed lưu chất tuần hoàn. Trong loại lò phản ứng này, một biến số hoạt động quan trọng là tỷ lệ xúc tác/biomass (C/B), ảnh hưởng đến mức độ các phản ứng xúc tác diễn ra. Trong nghiên cứu này, nguyên liệu sinh khối dạng gỗ được pyrolyse trong một hệ thống lò phản ứng bed lưu chất tuần hoàn quy mô pilot bằng cách sử dụng zeolite HZSM-5 với các tỷ lệ C/B khác nhau. Tỷ lệ C/B ảnh hưởng đến phân bố sản phẩm tổng thể, phân bố nguyên tố và đặc điểm của các sản phẩm lỏng. Việc tăng tỷ lệ C/B làm tăng khả năng chuyển đổi hơi pyrolyse nhưng điều này không dẫn đến sự cải thiện liên tục về chất lượng dầu sinh học. Tuy nhiên, tỷ lệ C/B là một yếu tố có thể được sử dụng để tối ưu hóa quá trình pyrolyse nhanh xúc tác.

Công nghệ sử dụng các chất hấp phụ dựa trên oxit canxi (CaO) để thu giữ CO₂ đã được xác định là ứng cử viên tối ưu cho việc thu giữ CO₂ ở nhiệt độ cao. Các khí thực tế luôn chứa hơi nước và nhiều thành phần khác, và đã có thông báo rằng các điều kiện ẩm ướt này có ảnh hưởng không thể bỏ qua đến hiệu suất của chất hấp phụ. Bài tổng quan này phác thảo vai trò của H₂O trong quá trình thu giữ CO₂ bằng các chất hấp phụ dựa trên CaO. Vai trò của hơi nước/H₂O trong việc tái hoạt hóa chất hấp phụ, tác động của hơi nước đến quá trình cacbon hóa và vôi hóa, và ảnh hưởng của hơi nước khi đồng thời có mặt trong cả hai giai đoạn cacbon hóa và vôi hóa được thảo luận. Đề xuất rằng việc tiêm hơi nước vào cả bể cacbon hóa và bể vôi hóa là một chiến lược tốt để đạt được tính phản ứng tốt hơn của chất hấp phụ dựa trên CaO cho việc thu giữ CO₂. Các cơ chế ảnh hưởng của hơi nước trong bể cacbon hóa và bể vôi hóa đến việc thu giữ CO₂ cũng được thảo luận. Bài tổng quan kết luận với các hướng nghiên cứu tương lai.