Đột phá KHCN - Đổi mới sáng tạo.

Bảo Hiền tổng hợp

Các nhà khoa học Ấn Độ và UAE chế tạo loại pin kẽm có thể sản xuất khí clo từ axit clohydric thải ngay trong lúc sạc, với chất xúc tác từ sắt thay cho kim loại quý.

Khí clo (Cl2) là nguyên liệu để sản xuất nhựa, dược phẩm, hóa chất nông nghiệp và chất khử trùng nước. Hiện nay, clo chủ yếu được sản xuất bằng phương pháp điện phân muối ăn (chlor-alkali) hoặc quy trình Deacon. Theo nhóm nghiên cứu, các quy trình này tiêu tốn khoảng 4% lượng điện toàn cầu.

Trong khi đó, nhiều ngành như luyện thép, xử lý bề mặt kim loại và chính sản xuất clo thải ra lượng lớn axit clohydric (HCl). Điện phân HCl để thu hồi clo là hướng đi được quan tâm. Tuy vậy, phương pháp này cần điện áp khá cao và tạo ra cả hydro lẫn clo cùng lúc, nên có thể gây nguy hiểm khi hệ thống dừng đột ngột.

Nhóm nghiên cứu từ Viện Công nghệ Ấn Độ (IIT) Ropar, Đại học Khalifa (UAE) và các viện của Ấn Độ đã tìm ra cách khác. Nhóm kết hợp việc sản xuất clo với một loại pin kẽm sạc lại được. Kết quả được công bố trên tạp chí Energy & Environmental Science ngày 3/6/2026.

Sạc pin cũng là sản xuất clo

Ở cực dương (cathode) của pin là dung dịch HCl loãng, cực âm (anode) là lá kẽm. Khi pin phóng điện, oxy bị khử thành nước ở cực dương, còn kẽm bị oxy hóa. Khi sạc, ion clorua trong HCl bị oxy hóa thành khí clo, đồng thời kẽm được tái tạo ở cực âm.

Nhóm tác giả gọi đây là cách “một mũi tên trúng ba đích”, gồm xử lý axit thải, tạo ra clo có giá trị và lưu trữ năng lượng.

Theo tính toán lý thuyết, khi thay phản ứng tạo hydro bằng phản ứng khử oxy, điện áp cần cho cả quá trình giảm từ 1,36 V xuống chỉ còn 0,13 V. Cách làm này cũng loại bỏ nguy cơ hydro và clo tích tụ cùng nhau.

Chất xúc tác từ sắt

Khó khăn lớn nhất là tìm được chất xúc tác vừa thúc đẩy được cả hai phản ứng, vừa chịu được môi trường axit ăn mòn, lại đủ rẻ để dùng ở quy mô lớn. Bạch kim là chất xúc tác hàng đầu cho phản ứng khử oxy nhưng không bền trong HCl. Trước đó, loại pin này chỉ mới có một công bố, dùng chất xúc tác bạc với chi phí cao.

Nhóm nghiên cứu sử dụng một khung hữu cơ – kim loại (metal–organic framework, MOF) chứa sắt, kết hợp với 10% graphene để tăng độ dẫn điện. Vật liệu được tổng hợp bằng cách nghiền trộn rồi gia nhiệt ở 90 độ C trong 24 giờ.

Trong thử nghiệm, chất xúc tác chuyển hóa khoảng 96,5% dòng điện thành clo, cao hơn mức 87% khi không có graphene và 78% khi chỉ dùng graphene. Vật liệu hoạt động ổn định 12 giờ liên tục trong HCl. Sau 500 chu kỳ đo, mật độ dòng điện giảm 18%. Lượng sắt hòa tan vào dung dịch không đáng kể. Trong axit HCl đặc 5 M, chất xúc tác vẫn đạt mật độ dòng hơn 416 mA/cm².

Để mô phỏng sự cố trong sản xuất công nghiệp, nhóm cho hệ thống chạy 10 phút rồi ngắt 2 phút, lặp lại 200 lần trong 40 giờ. Dòng điện vẫn giữ ổn định qua toàn bộ thử nghiệm.
Sạc 10 phút, thắp đèn 8 giờ

Pin hoàn chỉnh có điện áp hở mạch khoảng 1,6 V. Khi dùng màng lưỡng cực ngăn giữa hai buồng có độ pH rất khác nhau, pin sạc – xả ổn định hơn 250 giờ.

Trong thử nghiệm thực tế, hai pin mắc nối tiếp cho điện áp khoảng 3,4 V, thắp sáng 35 bóng LED xanh trong khoảng 16 giờ. Sau đó, pin chỉ cần sạc 10 phút là đủ để thắp đèn thêm khoảng 8 giờ.

Nhóm còn quan sát thấy chất xúc tác đổi màu khi tạo clo và trở lại màu cũ khi đảo chiều điện áp. Hiện tượng này giúp theo dõi những thay đổi trên bề mặt điện cực. Độ pH quanh điện cực cũng giảm dần trong quá trình phản ứng, điều trước đây ít được nghiên cứu.

Còn ở quy mô phòng thí nghiệm

Pin được lắp trong bình điện hóa hình chữ H tự chế. Công suất cực đại chỉ đạt 5,4 mW/cm², thấp so với các loại pin thương mại. Trong thử nghiệm dài, lá kẽm phải được đánh bóng lại trước khi chạy tiếp. Điện áp cũng dao động theo lượng oxy hòa tan trong dung dịch.

Theo nhóm tác giả, nghiên cứu cho thấy có thể ghép các phản ứng sản xuất hóa chất công nghiệp vào cấu trúc pin, mở hướng cho các quy trình hóa chất dùng điện an toàn và tiết kiệm năng lượng hơn.

Nguồn tham khảo
Kaur S., Gaber S., Garg K. và cộng sự. Tailoring an iron-based metal–organic framework for a Zn-ORR/CER battery. Energy & Environmental Science, 2026, 19, 4016–4027. DOI 10.1039/d6ee00064a