Tạo điện từ ma sát: Bước tiến mới của các nhà khoa học trong nghiên cứu nguồn năng lượng xanh
Khác với các nguồn năng lượng xanh quen thuộc như hydro, điện mặt trời hay điện gió, nguồn phát điện ma sát - TENG có khả năng thu hồi năng lượng cơ học như rung động, gió, sóng biển, chuyển động cơ thể hay thậm chí là hơi thở con người, biến chúng thành điện năng để cung cấp cho các thiết bị điện tử, các cảm biến hoặc hệ thống internet vạn vật (IoT). Về bản chất TENG hoạt động dựa trên 2 hiệu ứng vật lý căn bản: ma sát điện và cảm ứng tĩnh điện. Khi 2 loại vật liệu (một vật liệu dễ cho điện tử và một vật liệu dễ nhận điện tử) tiếp xúc rồi tách nhau ra, điện tích trái dấu sẽ được hình thành và lưu giữ ở bề mặt, khi nối mạch 2 điện cực ngoài ta sẽ thu được dòng điện có ích. Nghiên cứu về vật liệu điện cực và thiết kế cấu trúc TENG phù hợp, tận dụng được dao động cơ học của môi trường sẽ cho phép tạo ra nguồn điện tự cung cấp cho các thiết bị.
TENG lần đầu tiên được giới thiệu vào năm 2012 bởi Giáo sư Zhong Lin Wang và cộng sự tại Viện Công nghệ Georgia (Georgia Tech, Hoa Kỳ). Trong công trình đăng trên tạp chí Nano Energy với tiêu đề “Flexible triboelectric generator” (năm 2012) và bằng sáng chế Hoa Kỳ năm 2014 (“Triboelectric Nanogenerator”), nhóm tác giả đã mô tả cơ chế tạo điện năng từ sự tiếp xúc và tách rời giữa hai vật liệu có khả năng nhiễm điện khác nhau. Đến nay, TENG đã trở thành hướng nghiên cứu sôi động toàn cầu với sự tham gia của hàng trăm nhóm nghiên cứu trên thế giới, hàng ngàn công bố quốc tế mỗi năm, trong đó nhiều công bố trên các tạp chí hàng đầu. Nhiều ứng dụng đã được thử nghiệm như sàn đi bộ phát điện, nguồn điện tự cấp cho các thiết bị y sinh, thiết bị IoT, hệ thống khai thác năng lượng sóng biển.
Ứng dụng đa dạng của TENG cho năng lượng xanh, self power, IoT; Robot, thể thao thông minh, v.v…(Nguồn: J.Luo, Z.L.Wang, https://doi.org/10.1002/eom2.12059)
Tháng 6 năm 2022, Chủ tịch Viện Hàn lâm đã phê duyệt đề tài độc lập “Nghiên cứu chế tạo và khảo sát tính chất của một số vật liệu, cấu trúc phát điện ma sát (TENG)” (mã số: ĐL0000.08/22-24) do Học viện Khoa học và Công nghệ chủ trì. Đề tài do GS.TS. Phan Ngọc Minh làm chủ nhiệm với sự đóng góp chính của PGS.TS. Lê Trọng Lư và một số nhà khoa học Viện Khoa học vật liệu và Trung tâm Nghiên cứu và Phát triển công nghệ cao. Đây là đề tài đầu tiên tại Viện Hàn lâm tập trung nghiên cứu về điện ma sát, đánh dấu bước khởi đầu trong việc xây dựng nhóm và hướng nghiên cứu mới thuộc lĩnh vực năng lượng xanh.
Thiết bị in 3D chế tạo vật liệu điện cực TENG (thiết bị tự phát triển tại Viện Khoa học vật liệu)
Cấu trúc TENG kích thước 13x13 cm2 có khả năng phát điện khi tạo rung động nhỏ lên bề mặt điện cực
Nhóm nghiên cứu đã chế tạo thành công nhiều hệ vật liệu để làm điện cực cho thiết bị phát điện ma sát, trong đó nổi bật là hệ PHMG–GA–PVA, tổng hợp từ Polyhexamethylene guanidine hydrochloride (PHMG), Polyvinyl Alcohol (PVA) và Glutaraldehyde (GA). Bộ phát điện ma sát kích thước 13x13 cm2 chế tạo bằng phương pháp in 3D sử dụng vật liệu nói trên cho điện áp đỉnh 664,5 V, dòng ngắn mạch 116,8 µA, lực nhấp-nhả 10 N, tần số 1 Hz. Kết quả nghiên cứu của nhóm về PHMG-TENG là mới và cho hiệu suất tạo điện vượt trội hơn nhiều loại polymer khác đã công bố. Hệ TENG chế tạo được cho dòng điện ổn định sau 360.000 chu kỳ nhấp nhả, thể hiện độ bền và ổn định cao của vật liệu khi hoạt động lâu dài.
Cấu trúc TENG kích thước 13x13 cm2 hoạt động ổn định sau 360.000 chu kỳ nhấp nhả, tần số 1 Hz, tạo nguồn điện với điện thế 665 V và dòng điện 116,8 µA
Bên cạnh đó, nhóm còn phát triển hệ vật liệu CS–PHMG–GA cho TENG (CS viết tắt của Chitosan) phát điện áp đỉnh gần 1,5 KV, công suất 12 mW tại tải 10 MΩ. Vật liệu này cho hiệu suất phát điện vượt trội, có thể hoạt động trong giải độ ẩm (40%-90%), giải tần số (1-20 Hz) và có khả năng kháng khuẩn mạnh: loại bỏ gần như hoàn toàn vi khuẩn E. coli và S. aureus chỉ trong 60 giây. Kết quả này mở ra hướng nghiên cứu về thiết bị phát điện ma sát kháng khuẩn (kháng khuẩn-TENG) và thiết bị phát điện ma sát ứng dụng trong công nghệ dệt may (textile-TENG), …
Nhóm nghiên cứu đã chế tạo thành công bộ phát điện ma sát gồm 4 cấu trúc nhấp-nhả ghép song song, cho điện áp ra sau chỉnh lưu 288 V, xung điện áp đỉnh 680 V, xung dòng đỉnh 340 µA và công suất 0,23 W, hoạt động ổn định hơn 10.000 chu kỳ, có thể thắp sáng gần 100 bóng đèn LED. Bộ phát điện ma sát chế tạo được có thể cung cấp năng lượng cho các thiết bị cảm biến, hệ thống IoT hoặc sản phẩm tự cấp nguồn trong môi trường khắc nghiệt. Đây là bước đi tiếp cận gần hơn với thực tế, mở ra triển vọng ứng dụng cho các thiết bị cảm biến, hệ thống giám sát không dây vận hành độc lập, không cần pin.
Theo đánh giá của Hội đồng nghiệm thu cấp Viện Hàn lâm: Đây là đề tài tiên phong về TENG tại đơn vị, mở ra hướng nghiên cứu mới về năng lượng ma sát. Đề tài được ghi nhận cao ở tính sáng tạo trong phát triển vật liệu, khả năng kết hợp hiệu suất phát điện cao, độ bền ổn định trong môi trường ẩm cùng tính năng kháng khuẩn ưu việt - những yếu tố giúp nâng cao giá trị ứng dụng thực tiễn của thiết bị. Kết quả đã đạt được không chỉ minh chứng năng lực của nhóm nghiên cứu mà còn mở ra hướng đi mới cho lĩnh vực năng lượng xanh. Trong thời gian tới, nhóm nghiên cứu sẽ tiếp tục tối ưu cấu trúc bề mặt vật liệu, tích hợp khả năng lưu trữ năng lượng và phát triển các ứng dụng thực tiễn như trong IoT TENG, Textile TENG - tích hợp trong vải, quần áo hay Buoy TENG - hệ phao thông minh sử dụng năng lượng sóng để đo các thông số biển, v.v…
Tham khảo thêm tại đây.
Cung cấp tin: Chu Thị Ngân, Trung tâm Dữ liệu và Thông tin khoa học
Xử lý tin: Thanh Hà
