Hóa lỏng nhiên liệu hyđro

Hãy đừng nghĩ đến việc nạp hydro thể khí vào trong các vật liệu xốp để bảo quản một cách an toàn, mà tương lai của nền kinh tế nhiên liệu sạch nằm ở chính sự vận chuyển hydro dưới dạng lỏng, Robert Crabtree thuộc trường Đại học Yale tại New Haven cho biết.

Điều đó có nghĩa là những chiếc xe chạy bằng các tế bào nhiên liệu sử dụng khí hydro và oxy, sản sinh ra sản phẩm phụ duy nhất là nước, có thể nạp nhiên liệu tại các trạm phục vụ có cơ sở hạ tầng nhiên liệu lỏng giống như các trạm xăng hiện nay. Như vậy, khí hydro được nén dưới áp suất cao dễ gây nguy hiểm sẽ không còn tồn tại ở những nơi công cộng và cũng không cần thiết phải thay thế bằng những hệ thống phân phối và cung ứng nhiên liệu hoàn toàn mới.

“Bằng cách sử dụng nhiên liệu lỏng, chúng ta sẽ làm đơn giản hóa về mặt kỹ thuật”, Crabtree đã phát biểu như vậy trong một Hội nghị của Hiệp hội Hóa học Mỹ được tổ chức tại Boston về công trình nghiên cứu mà ông đang triển khai các chất lỏng hữu cơ có chứa nitơ dùng để lưu giữ và giải phóng hydro.

Hầu hết các nghiên cứu về lưu giữ và vận chuyển hydro đều chú trọng vào các vật liệu mang tên các hydrua kim loại và gần đây là các MOF (Metal - Organic - Frameworks - Kim loại - Hữu cơ - Kết cấu), đó lá các vật liệu xốp có thể lèn chặt khí hydro vào trong đó. Nhưng việc đưa đủ khí hydro vào trong các kết cấu đó để tạo nên một bể chứa nhiên liệu có kích thước và trọng lượng hợp lý là một vấn đề khó khăn, bên cạnh đó việc đưa nhiên liệu vào và ra sẽ đòi hỏi những hệ thống nạp liệu mới lạ.

Thay vào đó, Crabtree đã đưa ra ý tưởng về một hệ thống sử dụng bể chứa xăng tiêu chuẩn để chứa một chất lỏng hữu cơ. Chất lỏng này sẽ được dẫn qua một khoang đốt nóng có chứa một chất xúc tác làm thoát ra khí hydro và giải phóng nó một cách từ từ để sử dụng như một loại nhiên liệu. Phần chất lỏng đã khử hydro còn lại sau đó sẽ được dùng lại để tái chế, nó có thể được hydro hóa và khử hydro lặp đi lặp lại nhiều lần. Trong khi đó, bể chứa sẽ được nhanh chóng đổ đầy nhiên liệu mới, tức là chất lỏng đã được hydro hóa.

Vấn đề chủ yếu còn tồn tại đối với loại chất lỏng như vậy ở chỗ, nó thường đòi hỏi nhiệt độ cao (một sự gia tăng lên tới 600 ^oC) để có thể giải phóng hydro, điều này không thực tế trong một chiếc xe hơi. Crabtree đã đưa ra giải pháp khắc phục vấn đề này bằng cách đưa nitơ vào trong chất lỏng hữu cơ.

Nitơ liên kết với hydro yếu hơn so với cacbon và sự hiện diện của nitơ trong một vòng cacbon sẽ làm yếu đi các mối liên kết C-H còn lại. Các mối liên kết đã bị yếu đi này sẽ tạo điều kiện dễ dàng hơn trong việc làm thoát hydro ra ngoài khi chất lỏng được cho đi ngang qua một chất xúc tác và hạ thấp được nhiệt độ vận hành, nguồn nhiên liệu sẽ chỉ cần tăng nhiệt độ thêm 50 ^oC.

Hãng chế tạo hydro lớn nhất thế giới Air Products and Chemicals có trụ sở tại Allentown, Pennsylvania, hiện đang đầu tư những khoản tiền lớn vào một hệ thống hóa lỏng tương tự. “Trong bất kỳ một nền kinh tế hydro tương lai nào, điều được kỳ vọng sẽ là vận hành nhiên liệu lỏng thay cho chất khí”, Alan Cooper, Nhà nghiên cứu hóa học thuộc Air Products nói. Với các công trình đang được tiến hành hiện nay, ông nói: “người tiêu dùng trong tương lai sẽ không bao giờ phải vận hành với khí hydro”. Ông tin tưởng rằng loại nhiên liệu lỏng của họ sẽ đáp ứng được mục tiêu mà Bộ Năng lượng Mỹ đã đề ra về việc sáng tạo một bể nhiên liệu chứa đựng 6% trọng lượng hydro vào năm 2010.