PTN Nghiên cứu Điện hóa và Chuyển đổi năng lượng

1 .Giới thiệu chung

Ngành điện hóa hiện đang phát triển nhanh chóng với sự giao thoa của vật liệu tiên tiến, năng lượng tái tạo và trí tuệ nhân tạo. ELEC Lab sẽ tập trung nghiên cứu các hướng mũi nhọn, không chỉ đóng góp vào khoa học cơ bản mà còn thúc đẩy ứng dụng công nghệ trong công nghiệp, y sinh và môi trường. Các nghiên cứu của phòng thí nghiệm hướng đến mục tiêu phát triển bền vững (SDGs), kinh tế tuần hoàn và giảm phát thải CO₂.

-           Nghiên cứu tích trữ, chuyển đổi năng lượng xanh với các chủ đề về công nghệ điện phân nước tạo hydrogen xanh với các xúc tác không chứa kim loại quý (như Ni-Fe, Co-Mo, MXene) để giảm chi phí sản xuất hydrogen, công nghệ khử CO₂ điện hóa để chuyển đổi CO₂ thành nhiên liệu (methanol, ethanol hoặc hydrocarbon), các nguồn điện hóa học tiên tiến như ắc quy Li-ion, Na-ion, Zn-ion, ắc quy dòng chảy và siêu tụ điện nhằm tăng dung lượng lưu trữ và kéo dài tuổi thọ thiết bị, pin nhiên liệu và pin nhiên liệu sinh học sử dụng enzyme hoặc vi khuẩn điện hóa để sản xuất năng lượng sạch.

-           Nghiên cứu vật liệu tiên tiến và cảm biến điện hóa với các chủ đề về xúc tác điện hóa, cảm biến sinh học không enzyme, phát triển các cảm biến siêu nhạy để phát hiện virus, vi khuẩn, biomarker ung thư và điện cực siêu nhỏ cho thiết bị y sinh. Các cảm biến này có thể tích hợp vào thiết bị y tế thông minh, theo dõi sức khỏe cá nhân và kiểm soát chất lượng thực phẩm.

-           Nghiên cứu các công nghệ xử lý bề mặt và điện phân tiên tiến với các chủ đề về lớp phủ ứng dụng trong cảm biến, vi điện tử, lớp phủ chức năng chống ăn mòn kim loại, công nghệ mạ “xanh” thay thế cho các công nghệ sử dụng hóa chất độc hại, đánh bóng và gia công điện hóa cho các ngành công nghiệp điện tử, y tế và hàng không, thu hồi, tái chế kim loại từ chất thải điện tử, xử lý nước, giảm phát thải CO₂ bằng phương pháp điện hóa.

Nghiên cứu của ELEC Lab không chỉ tập trung vào phát triển khoa học mà còn hướng đến ứng dụng thực tiễn và chuyển giao công nghệ. Đồng thời, ELEC Lab sẽ đẩy mạnh hợp tác liên ngành với các nhóm nghiên cứu khác để tạo ra các giải pháp đổi mới sáng tạo đáp ứng cho nhu cầu của công nghiệp và xã hội

Sự phát triển của công nghệ điện hóa đóng vai trò quan trọng trong việc giải quyết các thách thức toàn cầu về năng lượng, môi trường và công nghiệp hiện đại. Việc nghiên cứu và ứng dụng điện hóa không chỉ giúp tối ưu hóa hiệu suất của các thiết bị lưu trữ và chuyển đổi năng lượng mà còn mở ra cơ hội cải tiến vật liệu tiên tiến, phát triển cảm biến điện hóa, cũng như cải thiện các công nghệ điện phân, mạ điện và xử lý bề mặt. ELEC Lab được thành lập với mục tiêu thúc đẩy các nghiên cứu tiên phong trong lĩnh vực này, tạo nền tảng vững chắc cho sự phát triển của khoa học và công nghệ điện hóa tại Việt Nam và trên thế giới.

Biến đổi khí hậu và khủng hoảng năng lượng toàn cầu đang đặt ra những thách thức nghiêm trọng đối với sự phát triển bền vững. Nhu cầu về năng lượng sạch ngày càng tăng mạnh do sự cạn kiệt của nhiên liệu hóa thạch và các tác động tiêu cực của biến đổi khí hậu. Theo báo cáo của IEA (2023), nhu cầu năng lượng tái tạo sẽ tăng mạnh, chiếm tới 90% tổng công suất điện trên toàn cầu vào năm 2030. Tuy nhiên, do bản chất không ổn định của năng lượng mặt trời và gió, các giải pháp tích trữ và chuyển đổi năng lượng hiệu quả là yêu cầu bắt buộc để đảm bảo tính bền vững của hệ thống năng lượng. Việc phát triển các hệ thống lưu trữ năng lượng tiên tiến có ý nghĩa vô cùng quan trọng, không chỉ giúp cân bằng cung - cầu trong hệ thống điện mà còn đóng vai trò là công cụ chủ chốt để tối ưu hóa các nguồn năng lượng tái tạo. Một trong những thách thức lớn nhất của năng lượng mặt trời và gió là tính gián đoạn: sản lượng điện thay đổi theo điều kiện thời tiết và thời gian trong ngày. Do đó, việc tích hợp các hệ thống lưu trữ năng lượng có hiệu suất cao vào lưới điện sẽ giúp đảm bảo cung cấp điện ổn định và liên tục, từ đó giảm thiểu sự phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch và hạn chế phát thải CO₂.

Tại Việt Nam, Chính phủ đã xác định mục tiêu phát triển các nguồn năng lượng tái tạo là một ưu tiên lớn trong chính sách phát triển công nghiệp của đất nước. Năm 2017, Bộ Khoa học Công nghệ công bố quyết định số 3585/QĐ-BKHCN về việc Phê duyệt Định hướng nghiên cứu ưu tiên của khoa học cơ bản trong lĩnh vực hóa học, khoa học sự sống, khoa học trái đất và khoa học biển giai đoạn 2017-2025. Trong đó, đã nhấn mạnh trong Định hướng nghiên cứu ưu tiên của lĩnh vực Hóa học trong lĩnh vực Hóa Vô cơ là "Nghiên cứu các vật liệu có khả năng chuyển hóa năng lượng mặt trời thành điện năng, nhiệt năng, vật liệu cho các quá trình tích trữ và chuyển hóa năng lượng với hiệu suất cao". Chính phủ đã ký quyết định số 66/2014/QĐ-TTg ngày 25 tháng 11 năm 2014 về việc Phê duyệt danh mục công nghệ cao được ưu tiên đầu tư phát triển và danh mục sản phẩm công nghệ cao được khuyến khích phát triển trong đó đưa công nghệ chuyển hóa, lưu trữ các dạng năng lượng tái tạo vào trong danh mục công nghệ cao được khuyến khích đầu tư phát triển. Điều này cho thấy sự quan tâm đặc biệt của nhà nước đến lĩnh vực nghiên cứu còn nhiều mới mẻ và thách thức này.

Trong bối cảnh này, điện phân nước để sản xuất hydrogen xanh đang trở thành một trong những công nghệ cốt lõi. Hydrogen xanh không chỉ giúp lưu trữ năng lượng mà còn có thể thay thế nhiên liệu hóa thạch trong các ngành công nghiệp nặng. Theo báo cáo của BloombergNEF (2023), thị trường hydrogen xanh có thể đạt giá trị hơn 500 tỷ USD vào năm 2050. Trên thế giới, nhiều nghiên cứu đang tập trung phát triển xúc tác điện hóa không chứa kim loại quý để giảm chi phí sản xuất hydrogen xanh. Các vật liệu như Ni-Fe, Co-Mo, MXene đã cho thấy tiềm năng vượt trội trong việc cải thiện hiệu suất phản ứng điện phân nước. Ngoài ra, công nghệ khử CO2 điện hóa có tiềm năng chuyển đổi khí nhà kính thành nhiên liệu hữu ích như methanol, ethanol và hydrocarbon, góp phần giảm phát thải carbon toàn cầu.

Pin nhiên liệu và các hệ thống ắc quy tiên tiến (Li-ion, Na-ion, Zn-ion, pin dòng chảy, siêu tụ điện) cũng là những lĩnh vực quan trọng đang được đẩy mạnh nghiên cứu. Các loại ắc quy/ pin sạc Li-ion, Na-ion và Zn-ion đang được nghiên cứu để cải thiện dung lượng lưu trữ, độ bền và khả năng sạc nhanh. Đặc biệt, pin Na-ion đang nổi lên như một giải pháp tiềm năng thay thế pin Li-ion do nguồn cung natri dồi dào hơn, giúp giảm chi phí sản xuất và tác động môi trường. Trong khi đó, pin Zn-ion có lợi thế về độ an toàn cao và khả năng tái chế dễ dàng hơn so với pin Li-ion truyền thống. Các công nghệ pin dòng chảy cũng đóng vai trò quan trọng trong tích trữ năng lượng quy mô lớn, giúp đáp ứng nhu cầu tích trữ dài hạn và ổn định nguồn điện từ năng lượng tái tạo.

Bên cạnh đó, nghiên cứu vật liệu tiên tiến đóng vai trò quan trọng trong việc phát triển các hệ thống điện hóa có hiệu suất cao và độ bền lâu dài. Vật liệu điện cực tiên tiến giúp tăng hiệu quả chuyển đổi và lưu trữ năng lượng, giảm chi phí sản xuất và mở rộng ứng dụng trong thực tế. Ngày nay, các cảm biến điện hóa sử dụng vật liệu điện cực không enzyme đang ngày càng được phát triển nhằm tăng cường khả năng phát hiện sinh học với độ nhạy cao, hỗ trợ trong các ứng dụng thực phẩm, y sinh và giám sát môi trường. Các cảm biến này có thể đo nồng độ kim loại nặng, thuốc trừ sâu, chất ô nhiễm hữu cơ trong nước và không khí với độ chính xác cao. Việc phát triển các vật liệu nhạy với từng loại chất ô nhiễm cụ thể giúp nâng cao độ chọn lọc của cảm biến, từ đó hỗ trợ công tác giám sát môi trường và bảo vệ sức khỏe cộng đồng. Trong lĩnh vực công nghiệp, cảm biến điện hóa cũng được sử dụng để kiểm tra chất lượng thực phẩm, đo độ tươi của hải sản hoặc giám sát quá trình lên men trong sản xuất bia, rượu và thực phẩm chế biến. Công nghệ số, đặc biệt là Internet vạn vật (IoT) đóng vai trò quan trọng trong việc nâng cao khả năng giám sát và quản lý hệ thống điện hóa. Các cảm biến thông minh có thể thu thập dữ liệu theo thời gian thực và truyền về các hệ thống trung tâm để phân tích. Nhờ đó, các nhà nghiên cứu có thể theo dõi các phản ứng điện hóa từ xa, phát hiện sớm các sự cố và đưa ra điều chỉnh kịp thời mà không cần có mặt trực tiếp tại phòng thí nghiệm. Việc ứng dụng IoT trong nghiên cứu điện hóa cũng giúp tạo ra các hệ thống tự động, giảm bớt sự can thiệp của con người và nâng cao độ chính xác của các phép đo.

Mạ điện và xử lý bề mặt kim loại cũng là một lĩnh vực quan trọng với nhiều ứng dụng trong công nghiệp. Công nghệ mạ tiên tiến không chỉ giúp bảo vệ kim loại khỏi ăn mòn mà còn tạo ra các lớp phủ chức năng với các tính năng đặc biệt như dẫn điện tốt, chống bám bẩn và cải thiện độ bền cơ học. Việc nghiên cứu các phương pháp mạ thân thiện với môi trường, sử dụng dung dịch ít độc hại hơn, đang trở thành xu hướng quan trọng để hướng đến sản xuất bền vững.

Nhìn chung, sự phát triển của ELEC Lab không chỉ đáp ứng nhu cầu nghiên cứu và ứng dụng thực tế mà còn phù hợp với các định hướng chiến lược quốc gia về phát triển khoa học, công nghệ và đổi mới sáng tạo. Theo Nghị quyết 57-NQ/TW, khoa học và công nghệ, đặc biệt là các lĩnh vực tiên phong như điện hóa, cần được đẩy mạnh để tạo đột phá trong phát triển kinh tế - xã hội. 

Đại học Bách Khoa Hà Nội là một trong các trường đứng đầu cả nước về đào tạo nhân lực và thực hiện công tác nghiên cứu khoa học và công nghệ. Để phát triển kinh tế bền vững cho đất nước, phục vụ quá trình công nghiệp hóa, rất cần có nhân lực được đào tạo bài bản và cần có các nghiên cứu phục vụ cho sự phát triển nền kinh tế, giúp cho Việt Nam bắt kịp và hội nhập với các quốc gia khác trên thế giới, đồng thời để nâng cao vị trí thứ hạng của Đại học Bách khoa Hà Nội trên bản đồ thế giới.

Phòng thí nghiệm Điện hóa và Chuyển đổi Năng lượng với tiền thân là phòng thí nghiệm Điện hóa thuộc Trường Hóa và Khoa học Sự sống được thành lập nhằm mục đích tập hợp các nhà khoa học trong và ngoài Trường Hóa và Khoa học Sự sống để nghiên cứu, thúc đẩy đổi mới sáng tạo và chuyển giao công nghệ, đáp ứng các nhu cầu về đào tạo, nghiên cứu và ứng dụng trong lĩnh vực điện hóa và chuyển đổi năng lượng.

2. Mục tiêu chung

Phát triển các nghiên cứu tiên tiến về điện hóa, tập trung vào chuyển đổi và lưu trữ năng lượng, vật liệu điện hóa tiên tiến, công nghệ cảm biến và xử lý môi trường. ELEC Lab hướng đến việc kết hợp nghiên cứu cơ bản với ứng dụng công nghiệp, góp phần vào phát triển khoa học công nghệ bền vững, đảm bảo an ninh năng lượng, thực hiện mục tiêu quốc gia về biến đổi khí hậu, tăng trưởng xanh và mục tiêu phát thải ròng bằng không vào năm 2050. Đồng thời, xây dựng nền tảng vững chắc cho hợp tác liên ngành, chuyển giao công nghệ và đào tạo nguồn nhân lực chất lượng cao trong lĩnh vực điện hóa.

Mục tiêu cụ thể

Các mục tiêu cụ thể của PTN Điện hóa và Chuyển đổi Năng lượng bao gồm:

• Nâng cao số lượng và chất lượng công bố quốc tế trong lĩnh vực điện hóa và tích trữ, chuyển đổi năng lượng, đặc biệt các công bố trên các tạp chí, ấn phẩm khoa học và công nghệ có uy tín trên thế giới.

• Nâng cao số lượng đăng ký phát minh sáng chế, giải pháp hữu ích, số dự án KHCN với doanh nghiệp trong lĩnh vực vực điện hóa và tích trữ, chuyển đổi năng lượng có khả năng thương mại hoá, góp phần nâng cao năng lực, trình độ công nghệ của nhóm và của Trường. 

• Tận dụng và thu hút nguồn lực con người trong và ngoài Trường Hóa và Khoa học Sự sống phát huy năng lực, phát triển PTN Điện hóa và Chuyển đổi Năng lượng, đào tạo nguồn nhân lực chất lượng cao trong lĩnh vực điện hóa. 

• Khai thác hiệu quả các trang thiết bị để tạo ra các sản phẩm khoa học và công nghệ có chất lượng cao. 

• Tạo môi trường và đầu mối hợp tác phát triển các dự án nghiên cứu phát triển, chuyển giao công nghệ với các doanh nghiệp công nghiệp trong và ngoài nước trong lĩnh vực điện hóa.

3. Chức năng, nhiệm vụ

Chức năng và nhiệm vụ của PTN Điện hóa và Chuyển đổi Năng lượng bao gồm:

• Tạo cơ chế hợp tác và tập hợp các nhà khoa học lớn và NCS trong và ngoài trường nhằm thực hiện các dự án nghiên cứu phát triển.

• Tổ chức nghiên cứu, thiết kế và phát triển sản phẩm, thiết bị, dịch vụ mẫu trong lĩnh vực Điện hóa và Chuyển đổi Năng lượng.

• Khai thác các cơ sở vật chất đã được đầu tư để phục vụ nghiên cứu chuyên sâu và đào tạo sau đại học.

4. Nội dung phát triển chuyên môn

Các lĩnh vực nghiên cứu của PTN Điện hóa và Chuyển đổi Năng lượng được mô tả chi tiết trong các nội dung dưới đây.

Tích trữ và chuyển đổi năng lượng xanh

Phòng thí nghiệm tập trung phát triển các công nghệ năng lượng điện hóa tiên tiến nhằm góp phần vào quá trình chuyển đổi năng lượng xanh, sạch và phát triển bền vững. Các hướng nghiên cứu chính bao gồm:

Công nghệ điện phân nước tạo hydro xanh

Phát triển các hệ điện phân nước hiệu quả, chi phí thấp để tạo hydro xanh – nguồn nhiên liệu sạch có tiềm năng lớn thay thế nhiên liệu hóa thạch, bao gồm nghiên cứu các vật liệu xúc tác không chứa kim loại quý như Ni-Fe, Co-Mo, MoS₂, và MXene cho phản ứng điện cực (HER và OER), thiết kế và chế tạo điện cực tích hợp trên nền xốp 3D (foam, CNTs, graphene) để tăng diện tích hoạt động điện hóa và giảm điện trở, phát triển hệ điện phân tối ưu hiệu suất năng lượng, sử dụng chất điện phân thân thiện môi trường (kiềm, nước biển).

Phát triển các loại nguồn tích trữ năng lượng tiên tiến

Nghiên cứu vật liệu điện cực mới (spinel, olivine, vật liệu hữu cơ, carbon biến tính) và chất điện ly thân thiện môi trường, độ ổn định tốt cho ắc quy Li-ion, Na-ion và Zn-ion, siêu tụ. Nghiên cứu tối ưu hoạt động và thương mại hóa các hệ ắc quy dòng chảy ôxy hóa khử (Redox Flow Battery - RFB) cho ứng dụng tích trữ điện năng dung lượng lớn như năng lượng mặt trời, gió.

Công nghệ khử CO₂ điện hóa

Chuyển hóa khí CO₂ – tác nhân gây hiệu ứng nhà kính – thành các sản phẩm có giá trị như methanol, ethanol hoặc hydrocarbon. Nội dung nghiên cứu bao gồm nghiên cứu xúc tác điện hóa chọn lọc cao dựa trên kim loại chuyển tiếp (Cu, Ag, Sn) hoặc vật liệu lai (MOF, vật liệu 2D, MXene…), tối ưu hóa cấu trúc điện cực và điều kiện phản ứng (điện thế, pH, chất điện phân) để tăng hiệu suất chuyển hóa và chọn lọc sản phẩm.

Pin nhiên liệu 

Tạo ra điện năng sạch từ nhiên liệu như hydro, methanol hoặc nhiên liệu sinh khối. Nghiên cứu tập trung vào phát triển vật liệu xúc tác không chứa kim loại quý, khả năng xúc tác của enzyme hoặc vi sinh vật để tạo ra năng lượng từ nguồn hữu cơ.

Vật liệu tiên tiến và cảm biến điện hóa

Theo hướng này, ELEC sẽ phát triển các vật liệu nền tảng và các thiết bị cảm biến điện hóa tiên tiến phục vụ cho các ứng dụng môi trường, công nghiệp thực phẩm và y sinh, bao gồm:

Nghiên cứu xúc tác điện hóa 

Phát triển các vật liệu xúc tác điện hóa có hoạt tính cao, độ chọn lọc tốt và ổn định để tăng cường hiệu suất các phản ứng điện hóa, trong đó gồm tổng hợp vật liệu nano đa chức năng như oxit kim loại (Fe₃O₄, MnO₂, TiO₂), tổ hợp kim loại chuyển tiếp (Ni-Co, Cu-Fe) và vật liệu 2D (MXene, graphene, MoS₂) và ứng dụng các vật liệu này làm xúc tác cho các loại phản ứng điện cực khác nhau.

Cảm biến sinh học không enzyme

Phát triển các cảm biến thế hệ mới không phụ thuộc vào enzyme sinh học dựa trên các hợp chất nano kim loại-kim loại, vật liệu lai, từ đó nâng cao độ bền và giảm chi phí thiết bị. Phát triển thiết bị cảm biến điện hóa cầm tay có giới hạn phát hiện thấp dựa trên kỹ thuật khuếch đại tín hiệu đo (EIS, DPV, SWV) hướng tới các hệ thống dễ sử dụng, thời gian phản hồi nhanh và có khả năng phân tích mẫu thực (máu, nước tiểu, nước sinh hoạt...), theo dõi chất lượng thực phẩm (phát hiện tồn dư thuốc bảo vệ thực vật, kim loại nặng, chất bảo quản).

Công nghệ xử lý bề mặt và điện phân tiên tiến

Hướng nghiên cứu này tập trung phát triển các công nghệ điện hóa hiện đại trong xử lý bề mặt và điện phân, nhằm phục vụ cho các ngành công nghiệp công nghệ cao như điện tử, y tế, hàng không và môi trường. Các đề tài nghiên cứu hướng đến tính bền vững, thân thiện với môi trường và khả năng ứng dụng công nghiệp.

Lớp phủ chức năng ứng dụng trong cảm biến và vi điện tử

Tạo ra các lớp phủ kim loại quý (Au, Pt, Ag) siêu mỏng, đồng đều và bám dính tốt phục vụ cho cảm biến điện hóa, công nghiệp điện tử, y sinh và hàng không.

Lớp phủ chống ăn mòn kim loại

Tăng cường độ bền và tuổi thọ của vật liệu kim loại trong môi trường khắc nghiệt bằng các lớp phủ có khả năng bảo vệ tốt hoặc tự phục hồi như lớp phủ composite chứa hạt nano (ZnO, TiO₂, graphene). Phát triển các công nghệ mạ Cr, Ni, Zn thân thiện với môi trường, không sử dụng hóa chất độc hại, đảm bảo an toàn môi trường và sức khỏe con người.

Thu hồi và tái chế kim loại từ chất thải điện tử, xử lý nước thải

Phát triển các giải pháp điện hóa bền vững nhằm thu hồi kim loại quý từ chất thải điện tử (e-waste), hướng đến nền kinh tế tuần hoàn.

Xử lý nước thải ô nhiễm và giảm khí thải nhà kính, phục vụ mục tiêu phát triển bền vững bằng các công nghệ điện phân khử kim loại nặng (As, Cr, Pb) hoặc các chất hữu cơ khó phân hủy (thuốc trừ sâu, thuốc kháng sinh). 

5. Cơ cấu tổ chức