Điều mà giới chuyên môn qua tâm nhất là: Hóa chất mà TS. Nguyễn Chánh Khê sử dụng, được gọi là “Xúc tác 1” trong bản thuyết trình, có vai trò tách hydro ra khỏi nước để dùng chạy pin nhiên liệu, là gì thì vẫn chưa có lời giải đáp. Có lẽ nào khoa học lại là một trò ảo thuật bí hiểm?
“Phát minh” máy phát điện chạy bằng nước đã được đề nghị cấp kinh phí nghiên cứu tiếp để hoàn thiện, và phải giữ bí mật tuyệt đối, phải đăng ký bản quyền… mà không dựa trên bất cứ một bằng chứng khoa học và kinh tế – kỹ thuật nào.
Ảo thuật ngôn ngữ?
Câu chuyện về sáng chế “máy phát điện chạy nước”, được TS. Nguyễn Chánh Khê, công bố ngày 14/1/2012 tại Khu Công nghệ cao Tp. HPCM, đã thu hút sự quan tâm lớn của dư luận. Nguyên nhân không chỉ là ý nghĩa khoa học to lớn của nó, nếu được khẳng định là đúng, mà còn bởi những sắc thái ly kỳ, bí hiểm do chính chủ nhân của nó tạo ra.
Ngay cả sau khi Khu Công nghệ cao TpHCM tổ chức hội thảo để làm rõ sáng chế này vào ngày 9/3/2012 vừa qua thì điều này vẫn chưa kết thúc. Sự bí hiểm này được bao phủ không chỉ bởi tấm màn “bí mật công nghệ”, mà còn bởi ngôn ngữ mà tác giả sử dụng, như: phản ứng nội sinh; năng lượng nội sinh dồi dào, xúc tác nano, chất khử nano, chất xúc tác hay chất khử, gọi là gì cũng được…Thậm chí, kết luận của chủ tọa cuộc hội thảo cũng không giúp gì hơn khi gọi hóa chất này là “chất rắn có cấu trúc nano” mà không dựa trên bất cứ một bằng chứng thực nghiệm nào.
Điều mà giới chuyên môn qua tâm nhất là: Hóa chất mà TS. Nguyễn Chánh Khê sử dụng, được gọi là “Xúc tác 1” trong bản thuyết trình, có vai trò tách hydro ra khỏi nước để dùng chạy pin nhiên liệu, là gì thì vẫn chưa có lời giải đáp.
Có lẽ nào khoa học lại là một trò ảo thuật bí hiểm?
Đâu là nhiên liệu?
Mấu chốt của sáng chế này là hóa chất được sử dụng để tách hydro từ nước. Trong thuyết trình, TS. Nguyễn Chánh Khê cho biết, hóa chất này được chế tạo từ bột gạo, bột năng, bã café, trấu, bằng cách phân hủy nhiệt dưới sự có mặt của khí hydro. Dưới tác dụng của chất “xúc tác 1” này, nước sẽ thực hiện “phản ứng nội sinh” để tạo hydro. Khí hydro này sẽ được cho chạy qua pin nhiên liệu để tạo điện. Theo TS. Nguyễn Chánh Khê: “Quá trình này không cần dùng bất cứ năng lượng nào từ ngoài bởi công nghệ nano chứa năng lượng nội sinh rất dồi dào và nước được sử dụng làm chất phản ứng”[1].
Hình 1: Sơ đồ nguyên lý hoạt động của “máy phát điện chạy bằng nước”
Nếu “xúc tác 1” này chỉ đóng vai trò xúc tác thuần túy thì nước sẽ tự phân hủy thành hydro và oxy dưới sự có mặt của chất này mà không cần sử dụng bất cứ nguồn năng lượng nào từ bên ngoài. Điều này là không thể vì trái với Nguyên lý II của Nhiệt động học. Mặt khác, sản phẩm cuối cùng của hệ thống này là nước, nên nếu cho quay vòng khép kín thì tạo ra một thứ động cơ vĩnh cửu. Điều này cũng không thể do vi phạm Định luật Bảo toàn Năng lượng.
Do đó, trong “xúc tác 1” này chắc chắn còn hóa chất khác là chất khử, có khả năng phản ứng trực tiếp với nước để tạo khí hydro, như LiBH4, LiH, LiAlH4, AlH3, MgH2, CaH2, NaH, NaBH4, NaSi v.v. Điều này đã được Ts. Nguyễn Chánh Khê thừa nhận trong cuộc hội thảo ngày 9/3, sau khi “giằng co” qua lại với các nhà khoa học.
Tuy nhiên, chất khử này là gì thì không được nhắc đến trong thuyết trình của TS. Nguyễn Chánh Khê, vì đó là “bí mật công nghệ”.
Nhưng có một điều chắc chắn: chính chất khử này mới là nhiên liệu, vì nó bị tiêu tốn trong quá trình vận hành máy. Điều này cũng giống như với động cơ xăng, nhiên liệu phải là xăng, chứ không phải là không khí, dù không khí được dùng để đốt xăng.
Cũng cần lưu ý, trong một bài báo đăng ở kỷ yếu hội nghị “Nanotech Conference & Expo 2011, Boston, Mỹ”, TS. Nguyễn Chánh Khê đã mô tả việc thiết kế và sản xuất một thiết bị tương tự như “máy phát điện chạy nước”[2] dùng cho hộ gia đình, trong đó nêu rõ việc tạo ra hydro nhờ một chất khử phản ứng với nước[3]. Điều này cho thấy, Ts. Nguyễn Chánh Khê đã không trung thực với báo chí và giới khoa học trong nước khi giới thiệu về công trình của mình.
Truy tìm “chất xúc tác nano” bí ẩn
Bột năng, bột gạo, trấu, bã cafe là các hợp chất hữu cơ, nên khi phân hủy nhiệt sẽ thu được than hoạt tính (than xốp, có diện tích bề mặt riêng lớn) và có thể một phần nhỏ grapheme, ống carbon nano. Đây là các dạng thù hình khác nhau của carbon, đã được biết đến từ lâu. Tính chất của chúng đã được nghiên cứu tương đối kỹ càng. Theo đó, có thể khẳng định chắc chắn: chúng không thể phản ứng với nước để tạo hydro. Điều này là hẳn nhiên, vì nếu không, toàn bộ các mỏ than trên thế giới đã bị phân hủy hết từ lâu do phản ứng với nước trong suốt hàng triệu năm, các bà nội trợ cũng không cần phải kỳ cọ xoong chảo vì chỉ cần nhúng vào nước là chúng sẽ sáng choang do muội than tự phản ứng với nước. Việc các mỏ than vẫn tồn tại, và các bà vợ vẫn phải cọ rửa xoong chảo hàng ngày, là bằng chứng cho thấy than hoạt tính, graphene, ống carbon nano… không phản ứng với nước, ít nhất là ở điều kiện thường.
Tuy nhiên, trong thuyết trình của mình, TS. Nguyễn Chánh Khê chỉ nói đến graphene hoặc gọi chung chung là xúc tác nano mà không đề cập đến thành phần chính là than hoạt tính này, gây ra cảm giác huyền bí, nhất là khi nghiên cứu về graphene lại được giải Nobel năm 2010. Đi xa hơn, TS. Khê còn cho biết, ông có thể tạo ra 100g graphene trong khi các nhà khoa học được giải Nobel chỉ tạo ra được 1 mg chất này, tạo cảm giác công trình nghiên cứu của mình còn siêu việt hơn cả công trình đã được giải Nobel1.
Như vậy, trong “xúc tác 1” phải có thêm một chất khử có khả năng phản ứng với nước để tạo hydro. Trong số những chất khử đã biết, NaBH4 – ở dạng bột, màu trắng – được sử dụng phổ biến trong việc tạo hydro từ nước vì rẻ tiền, an toàn, sản phẩm tạo ra ít độc hại. Tuy nhiên, chất này khi cho vào nước thì phản ứng với nước rất chậm. Để tăng tốc độ phản ứng, người ta phải dùng thêm xúc tác bạch kim (Pt). Điều này cũng phù hợp với mô tả của TS. Nguyễn Chánh Khê: Trước đây phản ứng xảy ra rất chậm, mất 12g thì đèn mới sáng, sau đó 3 giờ, nay có xúc tác, nên chỉ cần 5 giây.
Do đó, căn cứ vào những phân tích ở trên, có thể phán đoán “xúc tác 1” chính là hỗn hợp của than hoạt tính – sản phẩm của quá trình phân hủy nhiệt bột gạo, bột năng, bã cafe – với bột NaBH*4 và xúc tác bạch kim (Pt). Vì than hoạt tính có màu đen, bột NaBH4 có màu trắng, nên khi trộn lại sẽ ra một thứ bột màu xám, phù hợp với thông tin trên báo chí[4].
Khi cho “xúc tác 1” vào nước, NaBH4 sẽ phản ứng với nước tạo hydro theo phản ứng:
NaBH4 + 2H2O → NaBO2 + 4 H2 , ∆H= -212 kJ/mol (1)
Lượng nhiệt tạo ra sẽ làm cho nước trong bình nóng lên, phù hợp với mô tả hiện trường[5].
NaBH*4 là một chất khử thông thường, được sử dụng phổ biến từ những năm 1940 để tạo hydro từ nước, chứ không phải xúc tác nano hay hóa chất gì bí hiểm.
Lý do để người ta sử dụng NaBH4 thay vì các chất khử khác là chúng không bắt cháy ở điều kiện thường; phản ứng với nước rất chậm nên việc tạo ra hydro có thể kiểm soát được thông qua xúc tác; khi phản ứng với nước không có phản ứng phụ và không tạo ra các khí độc hại, sản phẩm của phản ứng là NaBO2 có thể tái sử dụng để điều chế NaBH4*[6].
Nhìn vào hình 2, thấy rằng: Trong số các chất khử đã nêu làm ví dụ ở trên thì LiBH4 có khả năng sinh ra nhiều hydro nhất (183,6 mol H2/kg LiBH4), sau đó là NaBH4 (105,8 mol H2/kg NaBH4). Nhưng các hợp chất có chứa Li thường đắt đỏ do khan hiếm và nhu cầu lớn cho công nghiệp sản xuất pin Li-ion[7]. Trên thực tế, dùng NaBH4 được coi là phương pháp đơn giản nhất và rẻ nhất để tạo hydro ở quy mô nhỏ. Nhưng với quy mô lớn, giá thành vẫn không thể cạnh tranh được với các phương pháp công nghiệp khác.
Hình 2: Lượng Hydro sinh ra từ 1kg các chất khử khác nhau khi cho phản ứng với nước (với chất khí, ở điều kiện thường, 1 mol = 22,4 lít)
Giá điện sẽ bao nhiêu?
Theo báo giá của các công ty hóa chất Trung Quốc, nơi thường có mức giá thấp nhất so với các khu vực khác trên thế giới, giá của các hóa chất công nghiệp này như sau: Với mức mua tối thiểu 20 tấn, giá của LiBH4 loại 96% là 300-350 USD/kg[8]; với mức mua tối thiểu 50kg, giá của NaBH4 loại 98.5% là 20-30 USD/kg[9]; với mức mua tối thiểu 20kg, LiAlH4 loại 96%, có giá 165-195 USD/kg[10];với mức mua tối thiểu 25kg, NaH loại 60-65%, có giá 4-5 USD/kg [11]…
Rõ ràng NaBH4 tỏ ra chiếm ưu thế vì giá thấp và hàm lượng hydro tương đối cao, 10.6% khối lượng. NaH tuy có giá rẻ hơn nhưng hàm lượng hydro chỉ chiếm 4,1% khối lượng. Đặc biệt, sản phẩm của phản ứng của NaBH4 với nước là NaBO2 ít độc hại hơn so với sản phẩm phản ứng của các chất khử khác.
Do đó, để ước lượng giá điện sản xuất theo phương pháp sử dụng chất khử làm nhiên liệu, NaBH4 sẽ được dùng như một ví dụ để tính toán.
Khi phản ứng với nước theo phản ứng (1), 1 mol NaBH4 sẽ tạo ra 4 mol H2. Như vậy, 1kg NaBH4, tương ứng với 26,45 mol, sẽ tạo ra 105,8 mol H2.
Khí hydro sinh ra cho chạy qua pin nhiên liệu sẽ có phản ứng:
2H2+O2 → 2H2O, ∆H= -286 kJ/mol (2)
Như vậy đốt cháy 1 mol H2 sẽ tỏa ra một nhiệt lượng là 286 kJ, nên số khí H2 được tạo ra từ 1kg NaBH4 sẽ cung cấp một nhiệt lượng là 30258 kJ, tức 8.4 kWh. Giả sử hiệu suất của pin nhiên liệu là 50%, ở mức trung bình trên thế giới, thì điện năng sản xuất được từ 1kg NaBH4 là 4,2kWh.
Với các chất khử khác, lượng điện tạo ra khi tiêu tốn một kilogam chất khử cũng được tính tương tự, hình 3. Giá thành của 1kWh điện theo báo giá trung bình của một số chất khử nêu trên được trình bày ở hình 4.
Hình 3: Lượng điện tạo ra từ 1 kilogam chất khử với giả thiết hiệu suất pin nhiên liệu là 50% (Hiệu suất trung bình hiện thời là 40-60%)
Hình 4: Giá điện được sản xuất từ một số chất khử theo báo giá hiện thời, khi bỏ qua mọi chi phí khác, như: chi phí vận chuyển, than hoạt tính, xúc tác, bộ phận pin nhiên liệu, nhân công…
Như vậy, nếu chỉ tính giá NaBH4 thuần túy mà bỏ qua mọi chi phí khác thì điện sản xuất ra sẽ có giá 6USD/kWh. Nếu tính thêm giá của than hoạt tính, xúc tác Pt, bộ phận pin nhiên liệu, nhân công, phí vận chuyển, xử lý chất thải… thì giá thành này còn cao hơn nữa. Giả thiết phần phụ trội này là 15% so với giá phần nhiên liệu chính là NaBH4 thì giá thành cuối cùng sẽ lên đến 7USD/kWh. Mức giá này đắt gấp khoảng 100 lần so với giá điện thương phẩm hiện thời ở Việt Nam.
Trong trường hợp chất khử được sử dụng không phải là là NaBH4 mà là một chất khác, như LiBH4, LiH, LiAlH4, AlH3, MgH2, CaH2, NaH, NaSi v.v thì giá thành cũng không hy vọng sẽ rẻ hơn. Lý do: Tất cả các chất như vậy đều không tồn tại trong tự nhiên (tức tồn tại trong các mỏ khoáng) để khai thác, vì chúng là các hợp chất không bền và nếu được tạo ra trong tự nhiên, chúng đã phản ứng với nước mưa, nước ngầm và do đó, sẽ bị phân hủy hết.
Cách duy nhất để có được những chất này là phải tổng hợp nhân tạo. Mà quá trình này bao giờ cũng tiêu tốn năng lượng nhiều hơn rất nhiều phần năng lượng do nó tạo ra, nên không bao giờ hiệu quả trị kinh tế khi sử dụng chúng làm chất phản ứng tạo hydro để từ đó tạo ra điện. Đó chính là nguyên nhân vì sao sử dụng các chất khử để sinh hydro từ nước, rồi từ đó tạo điện, lại có giá thành đắt hơn các phương pháp khác hàng chục lần, bảng 1.
Để cạnh tranh với giá điện được sản xuất bởi các công nghệ đã biết thì giá các chất khử này phải giảm khoảng 100 lần. Với NaBH4, mức giá khi đó sẽ là 0.2USD/kg. Một hóa chất phải tổng hợp nhân tạo tốn nhiều năng lượng, có mức giá như vậy là điều không tưởng.
Khoa học không phải là ảo thuật
