“MÁY PHÁT ĐIỆN CHẠY… NƯỚC”

“MÁY PHÁT ĐIỆN CHẠY… NƯỚC”

           (CHÉP TỪ DIỄN ĐÀN FORUM, AI THÍCH THÌ XEM CHO ĐỠ MỆT)

...Riêng với TS. Nguyễn Chánh Khê, việc được trao giải Nobel sẽ gần như là điều không tránh khỏi. Đây là một vinh dự lớn không chỉ với TS. Nguyễn Chánh Khê, mà còn với mọi người Việt Nam nói chung. Chính vì ý nghĩa lớn lao như vậy của sáng chế “máy phát điện chạy... nước”, nên dư luận đã rất quan tâm theo dõi sự kiện này. Vậy đâu là cơ sở khoa học của sáng chế này?

  Xung quanh “máy phát điện chạy… nước”
                                                             Giáp Văn Dương

    Ngày 14/1/2012, tại Trung tâm nghiên cứu và triển khai, trực thuộc Khu công nghệ cao TP.HCM, đã diễn ra lễ công bố sáng chế “Máy phát điện chạy bằng nước” của TS. Nguyễn Chánh Khê1. Nếu như trước đó, tin về máy phát điện chạy nước, dù được đăng tải dồn dập trên nhiều báo chí và thu hút sự quan tâm của dư luận, vẫn bị nhiều nhà khoa học cho là tin tức “giật gân, ly kỳ”, thì với sự công bố chính thức tại Khu công nghệ cao Tp. HCM, sự việc đã trở thành một vấn đề khoa học nghiêm túc. Vì thế, một phân tích mang tính khoa học về “máy phát điện chạy... nước” trở nên cần thiết, nhất là khi có nhiều nhà khoa học tỏ ra hoài nghi tính xác thực của sự kiện này.

Tóm tắt sự kiện

     Trong khoảng từ cuối tháng 12/2011 đến khoảng nửa đầu tháng 1/2012, hàng chục tờ báo đồng loạt đưa tin về sáng chế “máy phát điện chạy bằng... nước” của TS. Nguyễn Chánh Khê, tạo ra một sự quan tâm lớn của không chỉ với đại chúng mà còn cả giới khoa học (2,3) . Để tăng tính xác thực, báo điện tử Sài gòn Giải phóng còn đăng kèm video clip giới thiệu sáng chế này của đích thân TS. Nguyễn Chánh Khê thuyết trình4.
     Sở dĩ dư luận, trong đó có cộng đồng khoa học, quan tâm đến sự kiện này vì nếu thông tin trên báo chí là xác thực thì đây là một sự kiện khoa học gây chấn động thế giới.

    Một vài hệ quả của sáng chế này, nếu đúng như báo chí đưa tin, có thể được tóm tắt như sau:
     -Nguy cơ thiếu hụt năng lượng do cạn kiệt dầu mỏ và than đá sẽ được khắc phục. Khủng hoảng năng lượng sẽ vĩnh viễn bị đẩy lùi. Chiến tranh vì dầu mỏ sẽ không còn đe dọa thế giới.
    -Nạn ô nhiễm môi trường sẽ được khắc phục một phần lớn. Hiện tượng trái đất nóng lên bởi quá nhiều CO2 sẽ được giải quyết. Các vòng đàm phán căng thẳng về cắt giảm khí thải trở nên không cần thiết. Nghị định thư Kyoto trở nên thừa thãi vì từ nay thế giới sẽ chuyển sang sử dụng hydro thay vì dầu mỏ.
     -Một ngành kinh tế mới với thị trường có thể lên đến hàng nghìn tỷ đô-la sẽ ra đời (5). Với lợi thế là nơi đầu tiên khám phá ra công nghệ này, Việt Nam sẽ nhanh chóng vượt lên dẫn đầu thế giới về phát triển kinh tế do nắm được công nghệ này.
    -Riêng với TS. Nguyễn Chánh Khê, việc được trao giải Nobel sẽ gần như là điều không tránh khỏi. Đây là một vinh dự lớn không chỉ với TS. Nguyễn Chánh Khê, mà còn với mọi người Việt Nam nói chung.
    Chính vì ý nghĩa lớn lao như vậy của sáng chế “máy phát điện chạy... nước”, nên dư luận đã rất quan tâm theo dõi sự kiện này.
Vậy đâu là cơ sở khoa học của sáng chế này?

Phản ứng phân hủy nước

         Trái tim của “máy phát điện chạy... nước” là chất khử nano – đôi khi còn được gọi là chất phụ gia hoặc chất xúc tác - dùng để phân hủy nước (H2O) thành khí hydro và oxy. Sau khi đã có khí hydro rồi thì chỉ cần sử dụng pin nhiên liệu để chuyển hóa hydro thành điện. Các pin nhiên liện này là sản phẩm đã được thương mại hóa từ lâu, nên để xem xét tính khoa học của sáng chế này, nhất thiết phải xét đến phản ứng phân hủy nước:
            2H2O → 2H2+O2, ΔG° = 238 kJ mol−1
    Ở đây, ΔG° = 238 kJ năng lượng cần thiết để tách một mole nước (6). Đây là phản ứng có năng lượng tự do dương và khá lớn, nói cách khác là phản ứng thu năng lượng, nên không thể tự xảy ra. Điều này là hiển nhiên, vì nếu phản ứng phân hủy nước tự xảy ra thì tất cả nước trong các ao hồ, đại đương đã phân hủy thành H2 và O2 hết. Hệ quả là sự sống không tồn tại, và cũng không có chúng ta ở đây để thảo luận về vấn đề này.
     Vậy làm thế nào để phản ứng phân hủy nước có thể xảy ra? Không còn cách nào khác là phải cung cấp một lượng năng lượng đủ lớn năng lượng từ bên ngoài để buộc phản ứng phải xảy ra. Giống như một quả táo không thể tự nhảy lên mặt bàn vì đó là một quá trình thu năng lượng, do thế năng của quả táo ở dưới đất thấp hơn thế năng của quả táo trên mặt bàn. Muốn quả táo lên được mặt bàn, không còn cách nào khác là ta phải đưa nó lên, tức cung cấp một năng lượng cho nó, tối thiểu phải bằng sự chênh lệch thế năng giữa đất và mặt bàn. Đây là nguyên lý chung của mọi quá trình vận động trong tự nhiên: Muốn cho một quá trình không tự xảy ra trở thành có thể xảy ra thì bắt buộc phải cung cấp một lượng năng lượng bên ngoài, tối thiểu phải bằng mức chênh lệch giữa hai trạng trái đầu và cuối của quá trình đó.
    Trở lại với phản ứng phân hủy nước: Để cho quá trình này có thể xảy ra được, nguồn năng lượng cần cung cấp cho phản ứng có thể là điện năng, nhiệt năng, quang năng... Nếu là điện năng và quang năng thì đó là quá trình điện phân và phân hủy nhiệt thông thường. Còn với quang năng thì quá trình sẽ phức tạp hơn vì phải sử dụng một chất xúc tác trung gian để chuyển từ quang năng thành năng lượng sử dụng được cho phản ứng phân hủy nước. Chất xúc tác cho quá trình đó được gọi là xúc tác quang, vì nó chỉ hoạt động dưới tác dụng của ánh sáng. Cơ chế hoạt động của một chất xúc tác quang, ví dụ TiO2, được mô tả qua sơ đồ sau:


Hình 1: Sơ đồ phản ứng phân hủy nước trong quá trình quang điện hóa sử dụng TiO2 làm photoanode (A) và mô hình đoản mạch của quá trình này (B)7.
    Nhìn vào hình 1B ta thấy rằng: Khi ánh sáng có bước sóng phù hợp chiếu vào hạt xúc tác thì các điện tử (e-) của chất này sẽ hấp thụ hạt ánh sánh (hν) để chuyển từ vùng hóa trị lên vùng dẫn có mức năng lượng cao hơn và để lại một lỗ trống (h+) ở vùng hóa trị.

     Điện tử ở vùng dẫn khi đó sẽ phản ứng với ion H+ có trong nước để tạo ra khí hydro, còn lỗ trống (h+) sẽ phản ứng với nước để tạo ra oxy. Quá trình này được mô tả bởi các phương trình trình phản ứng như sau:
                          TiO2 + hν → e- + h+
                           2H+ + 2e− → H2
                         2H2O + 4h+ → O2 + 4H+
      Các ion H+ tiêu tốn sẽ luôn được bù đắp bởi quá trình phân ly của nước:
                      H2O ↔ H+ + OH-
     Do đó phản ứng tổng thể có thể viết thành:
                   2H2O + 4hν → 2H2 + O2
    Với quá trình điện phân thuần túy, các điện tử (e-) được sử dụng để khử ion H+ thành hydro chính là các điện tử của dòng điện, và quá trình này xảy ra ở điện cực, thay vì trên bề mặt xúc tác như trong quá trình xúc tác quang.
     Dễ dàng nhận thấy rằng, các chất xúc tác quang chỉ có thể là chất bán dẫn. Vì nếu là kim loại thì chúng không có vùng cấm nên không thể tạo ra cặp điện tử (e-) - lỗ trống (h+) dưới tác dụng của ánh sáng, còn nếu là chất cách điện thì do bề rộng của vùng cấm quá lớn, năng lượng của hạt ánh sáng sẽ không đủ để kích thích điện tử nhảy từ vùng hóa trị lên vùng dẫn.
    Vấn đề còn lại là phải tìm được chất bán dẫn có độ rộng của vùng cấm thích hợp để năng lượng ánh sáng tử ngoại, hoặc tốt hơn hết là ánh sáng nhìn thấy, đủ để kích thích điện tử nhảy từ vùng hóa trị lên vùng dẫn.
    Với TiO2, chất xúc tác quang điển hình đã được nghiên cứu và ứng dụng nhiều, độ rộng vùng cấm là 3,2 eV, tương ứng với năng lượng của hạt ánh sáng có bước sóng 387 nm, tức là ở vùng tử ngoại. Như vậy, để cho TiO2 có thể hoạt động như một chất xúc tác quang thì phải sử dụng ánh sáng ở vùng tử ngoại.
      Trên lý thuyết, nếu bỏ qua hiện tượng quá thế, ở điều kiện pH=0, do thế khử của H+/H2 là 0 và thế oxy hóa của H2O/O2 là 1.23 eV, nên chỉ cần chất xúc tác có bề rộng vùng cấm lớn hơn 1.23 eV và có biên vùng ở vị trí phù hợp (đáy vùng dẫn thấp hơn thế khử của H+/H2, tức <0 eV và đỉnh vùng hóa trị ở trên thế oxy hóa của H2O/O2, tức >1.23 eV) là phản ứng có thể xảy ra được, hình 2.

Hình 2: Nguyên tắc cơ bản của quá trình phân hủy  nước sử dụng hạt bán dẫn làm chất xúc tác7.  Bề rộng vùng cấm phải lớn hơn 1.23 eV, đồng thời  đáy vùng dẫn thấp hơn thế khử của H+/H2 (0 eV) và  đỉnh vùng hóa trị cao hơn thế oxy hóa của H2O/O2, (1.23 eV).

     Mức năng lượng 1.23 eV tương ứng với ánh sáng có bước sóng 1008 nm, nằm trong vùng hồng ngoại. Như vậy, về mặt lý thuyết, có thể tìm được một chất xúc tác hoạt động ở vùng ánh sáng nhìn thấy cho quá trình phân hủy nước. Tuy nhiên, tìm được một chất xúc tác như vậy không phải là dễ.
    Kể từ khi Fujishima và Honda8 tìm ra hiện tượng phân hủy nước trong quá trình quang điện hóa năm 1972, hứa hẹn mở ra một kỷ nguyên mới về năng lượng tái tạo, nhiều thế hệ các nhà khoa và nhiều tiền của đã được chính phủ các nước đổ ra để nghiên cứu nhằm tìm ra chất xúc tác trong mơ này, (hình 2).
     Số lượng các bài báo công bố, với từ khóa “water spliting”, tức “phân hủy nước”, tìm trên cơ sở dữ liệu của Viện Thông tin Khoa học (ISI), tăng nhanh kể từ năm 1972, đặc biệt là những năm gần đây. Điều này phản ánh phần nào sự quan tâm của giới khoa học với phản ứng quan trọng này, hình 3.

Hình 3: Số lượng công trình nghiên cứu về phân hủy  nước trên các tạp chí ISI: Tìm với từ khóa “water  splitting” trong kho dữ liệu của Viện thông tin khoa học  (ISI).

     Ngoài những yêu cầu về độ rộng vùng cấm và vị trí của biên vùng như đã nói, các chất này còn phải đảm bảo một số đặc tính như có độ hoạt động ổn định, có hiệu suất cao v.v mới có thể đưa vào sử dụng trong thực tế. Chính vì thế, đã hơn bốn thập kỷ trôi qua, một chất xúc tác có thể dùng ánh sáng nhìn thấy để phân hủy nước, với hiệu suất thích hợp, vẫn là ước mơ của các nhà nghiên cứu.
     Nhìn vào hình 4 sẽ thấy, dù rất nhiều chất xúc tác đã được nghiên cứu, thì chất đáp ứng được các yêu cầu về độ rộng và vị trí vùng cấm là rất hiếm hoi. Một số hướng tiếp cận như dùng xúc tác dưới dạng composite (xúc tác đa cấu tử) để tạo bậc thang cho điện tử nhảy đa cấp từ vùng hóa trị sang vùng dẫn cũng không đưa lại những kết quả tốt. Việc điện tử và lỗ trống tái kết hợp làm giảm hiệu suất, dù đã được khắc phục phần nào qua việc bẫy điện tử bởi hạt nano kim loại, cũng là một vấn đề nan giải. Chưa kể, nếu xét đến những yêu cầu khác như độ bền, hiệu suất của chất xúc tác… thì vấn đề trở nên khó khăn gấp bội.


   Hình 4. Độ rộng và vị trí vùng cấm của một số chất bán dẫn (9).

     Chính vì thế, hiệu suất của phản ứng phân hủy nước sử dụng xúc tác quang, ngay cả khi dùng đèn tử ngoại công suất lớn làm nguồn sáng, cũng rất thấp. Hình 5 cho thấy hiệu suất phản ứng đối với một trong những hệ xúc tác điển hình: Pt/TiO2. Hiệu suất tạo ra khí hydro trong phản ứng này nằm trong khoảng vài trăm μmol/h/g, rất nhỏ để có thể quan sát được liên tục bằng mắt thường.

Hình 5: Tốc độ tạo H2 với xúc tác N-doped TiO2 –  0.2%Pt, được xử lý nhiệt ở các nhiệt độ khác nhau10.

    Thành tựu đáng kể nhất trong khoảng thời gian gần đây về phân hủy nước sử dụng xúc tác quang là của nhóm các nhà khoa học ở Viện Công nghệ Massachusetts (MIT). Dưới sự dẫn dắt của GS. Daniel Nocera , nhóm đã tạo ra những “lá nhân tạo” dùng để thu thập năng lượng của ánh sáng nhìn thấy, đồng thời là xúc tác cho quá trình phân hủy nước. Thành tựu này đã được công bố trên tạp chí Science11, và được cộng đồng khoa học đánh giá như một bước tiến vượt bậc vì các “lá nhân tạo” này không chỉ dùng ánh sáng nhìn thấy mà hiệu suất của quá trình đạt mức cao chưa từng thấy. Tuy nhiên, dưới sự chiếu sáng trực tiếp của một nguồn sáng khá mạnh, lượng hydro được tạo ra trong quá trình này cũng chỉ đủ để sủi bọt lăn tăn chứ không làm sôi sục bình nước như trong sáng chế của TS. Nguyễn Chánh Khê, hình 6.


Hình 6: Thí nghiệm phản ứng phân hủy nước dùng “lá nhân tạo” của MIT (12).

Chất khử hay chất xúc tác?

     Điểm quan trọng nhất trong sáng chế “Máy phát điện chạy... nước” của TS. Nguyễn Chánh Khê là hóa chất sử dụng trong phản ứng phân hủy nước, khi thì được mô tả là chất “phụ gia xúc tác”, khi lại là “chất khử nano”, được nhiều báo chí đưa tin là chất xúc tác nano, có vai trò khử nước thành hydro. Vậy đó là chất khử hay chất xúc tác?
    Theo định nghĩa chất xúc tác, đó là chất tham gia quá trình phản ứng hóa học ở các khâu trung gian, nhưng không có mặt trong sản phẩm và được bảo toàn sau phản ứng. Như vậy, vai trò của chất xúc tác là làm tăng tốc độ phản ứng hóa học. Nếu một chất đó làm giảm tốc độ phản ứng thì thay vì được gọi là chất xúc tác, nó là được gọi là chất ức chế.
     Với lưu ý rằng, chất xúc tác chỉ làm thay đổi tốc độ của phản ứng hóa học, chứ không thể làm cho một phản ứng từ chỗ không thể xảy ra thành có thể xảy ra. Vì thế, một chất xúc tác chỉ có tác dụng khi ở một điều kiện xác định, phản ứng hóa học đã xảy ra nhưng với tốc độ nhỏ. Khi thêm chất xúc tác, tốc độ phản ứng sẽ tăng, đôi khi đến hàng triệu lần.
     Với phản ứng phân hủy nước, xét về mặt nhiệt động học, là không thể tự xảy ra ở điều kiện thông thường, do đó bắt buộc phải dùng năng lượng bên ngoài để “cưỡng bức” cho xảy ra. Tuy nhiên, xem hình chụp hệ thống của TS. Nguyễn Chánh Khê, thấy rằng hệ thống này không dùng bất cứ dạng năng lượng thường thấy nào như điện năng, nhiệt năng. Điều này cũng phù hợp với mô tả của TS. Nguyễn Chánh Khê: “Nó không phải là điện giải, không phải là điện phân, và nó cũng không phải là thủy điện”.
     Vậy khả năng còn lại là quang năng. Tuy nhiên, để sử dụng được quang năng thì các bình chứa thường làm bằng thủy tinh, pyrex hoặc thạch anh... và trong suốt để tăng độ truyền ánh sáng. Nhưng các bình nhựa của hệ thống do TS. Nguyễn Chánh Khê sáng chế là bình nhựa có màu xanh tím, có tác dụng như bộ lọc sắc, gây cản trở ánh sáng rất lớn, hình 7. Vậy nếu chất xúc tác TS. Nguyễn Chánh Khê sử dụng là chất xúc tác quang, thì việc sử dụng bình nhựa như vậy là không khoa học. Với chỉ một chút ánh sáng còn lại có thể truyền qua thành bình nhựa, chất xúc tác này có thể làm cho “bình nước sôi sục” cho thấy, nếu đúng hóa chất được sử dụng là chất xúc tác thì đây là một chất xúc tác cực mạnh, chưa từng biết. Một chất xúc tác như vậy quả là một "viên đá thần" và là giấc mơ của nhân loại từ ít nhất là 40 năm nay từ khi Fujishima & Honda (8) phát hiện ra hiện tượng phân hủy nước dưới tác dụng của ánh sáng trên bề mặt xúc tác TiO2 năm 1972, vì nó giúp giải quyết nạn ô nhiễm môi trường và nguy cơ thiếu hụt năng lượng do cạn kiệt dầu mỏ, than đá...
     Để minh họa cho hiệu quả của hệ thống, TS. Nguyễn Chánh Khê đã dùng một đèn điện. Dùng mắt thường để quan sát có thể ước lượng rằng, lượng ánh sáng của đèn điện tỏa ra lớn hơn lượng ánh sáng đi vào bình nhựa, điều này trái ngược với nguyên tắc bảo toàn năng lượng.
    Ngoài ra, một trong những vấn đề làm đau đầu người làm nghiên cứu về xúc tác là “ngộ độc xúc tác”, tức là xúc tác bị mất hoạt tính do bị các chất bẩn hoặc chính sản phẩm của phản ứng hấp phụ lên bề mặt xúc tác. Trong trường hợp này, việc dùng nước bẩn, nước muối làm nguyên liệu như tuyên bố của TS. Nguyễn Chánh Khê sẽ làm ngộ độc xúc tác nhanh chóng.
      Những lập luận này cho thấy, hóa chất mà TS. Nguyễn Chánh Khê sử dụng không thể là chất xúc tác được. Khả năng còn lại duy nhất còn lại: Hóa chất được sử dụng là một chất khử, có khả năng phản ứng trực tiếp với nước để tạo khí hydro. Điều này cũng đã được đích thân TS. Nguyễn Chánh Khê khẳng định trong thuyết trình của mình: “Đầu tiên, chúng ta có cái vật liệu nano nó nằm ở tại đây. Nó gọi là chất khử nano. Nó sẽ biến nước thành ra khí hydro. Khí hydro sẽ đi qua bộ phận lọc để làm cho mất nước. Và khí hydro khi mà đi qua đến cái phần này thì nó đi vào trong cái pin”13.
     Chất khử này có thể là các kim loại kiềm và kiềm thổ như Na, K, Ca hoặc một vài hóa chất có khả năng phản ứng với nước như Sodium Silicide (NaSi, Na2Si, Na4Si4). Vì các kim loại kiềm và kiềm thổ rất đắt, phản ứng với nước tạo ra kiềm là chất độc hại, có tính ăn mòn cao, nên sẽ không hiệu quả nếu dùng các chất này làm chất khử. Trong số đó, Sodium Silicide được dùng khá phổ biến để tạo khí hydro vì hiệu quả hơn việc sử dụng kim loại kiềm hoặc kiềm thổ.
     Một trong những phản ứng của Sodium Silicide với nước để cho hiệu suất tạo hydro cao nhất là (14):
              2NaSi + 5H2O → Na2Si2O5 + 5H2
     Thực tế, một số công ty như PowerTrekk đã dùng Sodium Silicide để phân hủy nước tạo khí hydro dùng cho pin nhiêu liệu để tạo ra nguồn điện cho các sạc pin điện thoại, với công suất 4Wh (15).
     Tuy nhiên, NaSi là một chất đôc hại, gây bỏng da, mắt và hệ hô hập nếu tiếp xúc, lại có khả năng tự bốc cháy (nhiệt độ tự bốc cháy thấp nhất là 260 oC), nên cần phải rất cẩn thận khi sử dụng và vận chuyển (16). Sản phẩm của phản ứng là Na2Si2O5, một chất có tính kiềm mạnh, nên là một chất độc hại với sức khỏe và môi trường. Phản ứng giữa Sodium Silicide với nước là phản ứng tỏa nhiệt, nên nguy cơ cháy nổ hoàn toàn có thể xảy ra nếu hệ thống phản ứng không tuân thủ những chỉ tiêu kỹ thuật nghiêm ngặt.
     Vậy hóa chất mà TS. Nguyễn Chánh Khê sử dụng là gì? Điều này chỉ có TS. Nguyễn Chánh Khê và cộng sự biết, vì không được công khai đề cập trong bất kỳ bài báo nào. Tuy nhiên, việc dùng một hóa chất phản ứng trực tiếp với nước thì thường sẽ khá đắt, chứ không thể “để khởi động hệ thống này và chạy trong vài giờ, chỉ cần một chi phí nhỏ hơn 1000 đồng” (17).
     Quan trọng hơn, việc dùng một hóa chất làm chất khử để tạo ra hydo thì hóa chất đó chính là nguyên liệu chính để vận hành hệ thống, chứ không phải là nước như công bố. Nhìn bề ngoài, sự nhầm lẫn giữa chất khử và chất xúc tác chỉ là vấn đề ngôn ngữ, nhưng về bản chất khoa học, đây là một điều sai trái, một sự đánh tráo nguy hiểm.

Hình 7: TS. Nguyễn Chánh Khê (phải) và cộng sự trình diễn máy phát điện bằng nước (có kèm chất phụ gia) tại trung tâm Nghiên cứu và triển khai (khu Công nghệ cao TP.HCM). Ảnh: Minh Phúc (SGGP).

Pin nhiên liệu hydro

      Pin nhiên liệu là thiết bị chuyển hóa năng ở trong nhiên liệu thành điện năng thông qua phản ứng hóa học của nhiên liệu đó với tác nhân oxy hóa, thường là oxy trong không khí. Có nhiều loại pin nhiên liệu khác nhau, nhưng phổ biến nhất là pin nhiên liệu hydro, trong đó, năng lượng hóa học của phản ứng oxy hóa hydro thành nước được chuyển thành điện năng:
        H2(g) + O2(g) → H2O(l), ΔH = -285.8 kJ mol−1
     Phản ứng này có enthalpy âm, tức là phản ứng tỏa năng lượng. Chính phần năng lượng này sẽ được chuyển hóa thành điện năng nhờ pin nhiêu liệu. Nguyên lý hoạt động của pin nhiên liệu hydro được mô tả trong hình vẽ sau:

                    Hình 8: Sơ đồ nguyên tắc hoạt động
                   của pin nhiên liệu hydro (PEM) (18).
      Khí hydro khi đến anode, dưới tác dụng của xúc tác, thường là Platinum, sẽ bị tách thành điện tử và ion H+. Điện tử, vì không đi được qua màng điện phân, nên sẽ chuyển sang cathode thông qua mạch ngoài tạo ra dòng điện. Còn ion H+ sẽ khuếch tán qua màng điện phân để sang cathode. Tại đây, cũng dưới tác dụng của xúc tác, ion H+ sẽ tác dụng với điện tử và oxy để tạo ra H2O. Hiệu suất của pin nhiên liệu khá cao, đạt mức 40-65%, nếu kết hợp với tận dụng nhiệt thải, có thể lên đến 85%, tức cao gấp khoảng 3 lần so với động cơ nhiệt.
      Pin nhiên liệu dạng PEM (19), được dùng nhiều cho các phương tiện vận chuyển vì có nhiều ưu điểm như công suất cao, không tạo ra ô nhiễm môi trường... Nhiều công ty sản xuất ô tô như Toyota, Honda, Hyudai, Daimler, and General Motors đã lên kế hoạch sản xuất xe sử dụng pin nhiên liệu vào năm 2015 (20). Tuy nhiên, việc thương mại hóa sản phẩm pin nhiên liệu PEM ở phạm vi lớn vẫn chưa đạt được (21). Lý do chính là do giá thành và độ bền của pin chưa đáp ứng được yêu cầu thực tế. Với động cơ, pin thương mại phải có khả năng hoạt động trong 5000 giờ liên tục, và 40000 giờ với trạm phát điện, với khả năng suy giảm hiệu suất nhỏ hơn 10%(22). Về giá thành, tuy đã có cải thiện đáng kể, nhưng pin nhiên liệu vẫn còn đắt hơn nhiều so với động cơ đốt trong.

        Hình 9: Biểu đồ giá thành của pin nhiên liệu dạng PEM23

       Phần lớn các pin nhiên liệu đang sử dụng đều dùng màng Nafion® và xúc tác Pt. Pin nhiên liệu của TS. Nguyễn Chánh Khê cũng thuộc loại PEM đã nêu trên, vì trong triển lãm FC Expo 2011: “TS. Nguyễn Chánh Khê cho biết, tại triển lãm, ông đã đưa ra loại vật liệu dẫn proton mới nhất thế giới đó là than nano lỏng để trực tiếp cạnh tranh với vật liệu Nafion - sản phẩm dẫn proton của công ty Dupont đang độc chiếm thị trường toàn cầu hiện nay. Công ty Dupont hiện bán 3 kg Nafion với giá 105.000 USD trong khi màng dẫn proton do TS Khê chế tạo từ than nano lỏng chỉ dao động trong mức giá khoảng 700 - 1.000 USD” (24).
      Ngoài ra, “TS Nguyễn Chánh Khê cho biết, dự kiến cuối tháng 8/2011 tới ông sẽ công bố và trình diễn một hệ thống pin có công suất 2.000 W đủ cung cấp điện cho một căn hộ nhỏ” (24), nhưng đến nay, vẫn chưa thấy thực hiện.
     Công suất của pin nhiên liệu (2) của TS. Nguyễn Chánh Khê là 0,13W/cm2. Đây là một công suất tương đối thấp. Trên thực tế, những pin nhiên liệu hydro có công suất 2.5W/cm2, cũng dùng màng Nafion®, đã được chế tạo (25).
      Cũng liên quan đến pin nhiên liệu, dường như một sáng chế tương tự đã được nộp hồ sơ đăng ký tại châu Âu từ ngày 28.9.2006, bởi TS. Nguyễn Chánh Khê và hai đồng nghiệp (26).          Tuy nhiên, theo thông báo mới nhất của Phòng Đăng ký Bản quyền châu Âu thì hồ sơ đăng ký này đã bị rút lại từ ngày 3/12/2009. Lý do: Không phản hồi lại thư trao đổi của phòng kiểm tra (27).

Thay lời kết
      Qua những phân tích ở trên, có thể kết luận rằng: Việc tạo khí hydro từ nước chỉ là sản phẩm của một phản ứng hóa học thông thường giữa một chất khử với nước. Khí hydro được tạo ra này sẽ được đưa qua pin nhiên liệu dạng PEM để tạo ra điện. Do đó, nhiên liệu để vận hành hệ thống phải là chính chất khử đó, chứ không phải là nước. Muốn hệ thống hoạt động liên tục thì chất khử này phải được bổ sung liên tục, vì nó sẽ bị tiêu tốn trong quá trình phản ứng. Pin nhiên liệu mà hệ thống sử dụng có công suất thấp hơn nhiều với pin cùng loại đang được lưu hành.
      Ngoài ra, việc đưa tin về những thành tựu nghiên cứu của TS. Nguyễn Chánh Khê từ trước đến nay cũng có nhiều sai lệch. Thực vậy, từ năm 2006, nhiều báo đã đưa tin việc TS. Nguyễn Chánh Khê lần đầu tiên sản xuất thành công ống cac-bon nano tube hoàn toàn bằng nguyên liệu và công nghệ trong nước (28). Nhiều báo còn đưa tin Cơ quan hàng không vũ trụ Mỹ (NASA) đã dùng ống các-bon nano tube để làm vỏ phi thuyền (29).
    Trên thực tế, từ năm 2003 nhiều cơ sở nghiên cứu trong nước đã tạo được ống các-bon nano tube nên những tin tức này đã được cảnh báo (30). Còn việc NASA có dùng ống cac-bon nano tube để làm vỏ phi thuyền hay không, hoặc ít nhất có hợp tác với Trung tâm Công nghệ cao TpHCM hay không vẫn còn chưa được kiểm nghiệm. Nhưng sự thực là từ đó đến nay đã gần 5 năm, mặt hàng được hứa hẹn “sẽ mang về siêu lợi nhuận cho đất nước” vì có giá từ “100.000 USD - 800.000 USD/kg” dường như đã chìm vào quên lãng.
     Nay với việc công bố sáng chế “máy phát điện chạy... nước”, trước sự nghi ngờ của giới khoa học, thiết nghĩ Khu Công nghệ cao TpHCM hoặc Bộ Khoa học & Công nghệ cần lập hội đồng đánh giá tính xác thực của sáng chế này.
     Việc đánh giá này không nên chỉ dừng ở khía cạnh khoa học, mà cần tiến hành ở mọi khâu liên quan như hiệu quả và tính minh bạch của việc sử dụng kinh phí tài trợ nghiên cứu, tính xác thực của các thông tin truyền tải... Đồng thời, đưa ra chế tài xử lý nếu những thông tin đã được công bố là sai sự thật, nhằm đảm bảo sự nghiêm chính của môi trường khoa học.
Tác giả cảm ơn TS. Trương Văn Tân đã đọc và góp ý cho bài viết.
                                                Giáp Văn Dương
Nguồn : Bài đã đăng trên báo mạng Tia Sáng ngày 29/02/2012. Chúng tôi xin đăng lại với sự đồng ý của tác giả, do tầm quan trọng của nó, không những về mặt hiểu biết khoa học, mà còn về đạo lý nghiên cứu, quản lý nghiên cứu và truyền thông Khoa Học - Kỹ thuật - Công Nghệ. Diễn Đàn hy vọng có thể tiếp tục công bố phản hồi của ông Nguyễn Chánh Khê hay/và của các cơ quan quản lý có liên quan.

TÀI  LIỆU THAM KHẢO
1 Trung tâm Nghiên cứu & triển khai Khu Công nghệ cao TP.HCM: Công bố sáng chế Máy phát điện chạy bằng nước, ngày 15/01/2012.
2 Điện từ nước – phát minh độc đáo của một nhà khoa học Việt Nam, An ninh thế giới, 26/12/2011.
3 Máy phát điện chạy bằng nước, Tuổi trẻ, 15/1/2012.
4 Sáng chế máy phát điện chạy bằng nước, Sài gòn giải phóng, 3/1/2012.
5 Năm 2011, thế giới khai thác được khoảng 87,5 triệu thùng dầu, trị giá khoảng 3000 tỉ đô-la Mỹ.
6 Vincent Artero và các cộng sự, Angew. Chem. Int. Ed. (2011), 50, 7238 – 7266.
7 Kazuhiko Maeda, J. Photochem. Photobio. C: Photochem. Rev., Vol.12, Iss. 4, (2011), 237–268
8 A. Fujishima and K. Honda, Nature 238 (1972) 37.
9 Dengwei Jing, Int. J. Hydrogen Energy, Vol. 35, Iss 13, 2010, 7087–7097.
10 Bing-Shun Huang, Ming-Yen Wey, Int. J. Hydrogen Energy, Vol. 36, Iss. 16, (2011) 9479–9486.
11 S.Y. Reece, et al., Science, 334 (2011) 645-648.
12 http://web.mit.edu/newsoffice/2011/artificial-leaf-0930.html
13 http://www.youtube.com/watch?v=PDQ5NpHTbbQ
14 James L. Dye et al, J. Am. Chem. Soc., 127 (2005), 9338-9339.
15 http://www.powertrekk.com/
16 http://signachem.com/wp-content/themes/signa/pdf/technical-docs/MSDS-SiGNa%20NaSi.pdf
17 Máy phát điện chạy bằng... nước, chuyện lạ..., Sài Gòn Tiếp thị, 9/2/2011.
18 DOE-EERE. FCT fuel cells: types of fuel cells; 2009.
19 Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cells
20 Gittleman C, DM, Jorgensen S, Waldecker J, Hirano S, Mehall M. Automotive fuel cell R&D needs. In: DOE fuel cell pre-solicitation workshop. Department of Energy, Lakewood, Colorado, 2010.
21 Yun Wanga et al, Appied Energy, Vol. 88, Iss. 4, (2011), 981–1007.
22 W. Schmittinger, A. Vahidi, J. Power Sources, 180 (2008), 1–14.
23 D. Papageorgopoulos , DOE fuel cell technology program overview and introduction to the 2010 fuel cell pre-solicitation workshop in DOE fuel cell pre-solicitation workshop. Department of Energy, Lakewood, Colorado, 2010.
24 Người chế tạo pin thay xăng, Người đưa tin, 15/7/2011.
25 Oliver J. Murphy, G. Duncan Hitchens, David J. Manko, J. Power Sources, Vol. 47, Iss. 3, (1994), 353–368.
26 EP1949484 - ELECTROLYTE MEMBRANE FOR FUEL CELL UTILIZING NANO COMPOSITE,
xem tại: https://register.epo.org/espacenet/application?number=EP06848660&tab=main
27 Nguyên văn: Despatch of communication that the application is deemed to be withdrawn, reason: reply to the communication from the examining division not received in time [2010/16]
28 TS Nguyễn Chánh Khê và sản phẩm carbon nano tube siêu lợi nhuận, Người lao động, 9/7/2006.
29 NASA dùng carbon nano tube của VN làm vỏ phi thuyền, Tuổi trẻ, 31/5/2007.
30 Đằng sau nghiên cứu kinh ngạc của TS. Nguyễn Chánh Khê, Tuần Việt Nam, 14/6/2007.
Các thao tác trên Tài liệu