Bài đánh giá mới vạch ra cách chất xúc tác niken có thể mở khóa pin nhiên liệu hydro rẻ hơn
Ngày 23 tháng 12 năm 2025
Bài đánh giá mới vạch ra cách chất xúc tác niken có thể mở khóa pin nhiên liệu hydro rẻ hơn
Newswise — Pin nhiên liệu hydro tạo ra năng lượng điện chỉ với nước là sản phẩm phụ, khiến chúng trở thành trung tâm của các hệ thống năng lượng không phát thải ròng trong tương lai. Pin nhiên liệu màng trao đổi proton truyền thống dựa vào chất xúc tác bạch kim, điều này làm tăng chi phí và rào cản về độ bền. Pin nhiên liệu màng trao đổi anion kiềm (AEMFC) cho phép sử dụng các chất xúc tác không quý hiếm rẻ hơn, tuy nhiên động học phản ứng oxy hóa hydro (HOR) trong môi trường kiềm chậm hơn từ hai đến ba bậc độ lớn so với trong điều kiện axit, hạn chế hiệu suất. Niken, dồi dào và có tính chất điện tử tương tự như bạch kim, được coi là lựa chọn thay thế hấp dẫn nhất, nhưng lại gặp phải vấn đề liên kết hydro mạnh và oxy hóa bề mặt. Dựa trên những thách thức này, cần có thêm hiểu biết về cơ chế và chiến lược thiết kế vật liệu để phát triển chất xúc tác HOR gốc Ni.
Các nhà nghiên cứu từ Đại học Khoa học và Công nghệ Hoa Trung và các tổ chức hợp tác đã công bố một bài đánh giá toàn diện (DOI: 10.1016/j.esci.2025.100400) trên tạp chí eScience vào tháng 9 năm 2025, tóm tắt những đột phá trong chất xúc tác điện hóa kim loại không quý gốc Ni cho phản ứng oxy hóa hydro kiềm (HOR). Bài đánh giá tích hợp các lý thuyết về cơ chế xúc tác, tiêu chí đánh giá hiệu suất và chiến lược thiết kế cấu trúc, đề xuất một bản đồ định hướng nguyên tố cho việc phát triển vật liệu. Bằng cách so sánh các chất xúc tác đã được báo cáo, các giao thức thử nghiệm và các tiêu chuẩn hoạt động, các tác giả đã phác thảo cách thiết kế hợp lý có thể đẩy nhanh quá trình phát triển chất xúc tác gốc niken hướng tới việc ứng dụng thực tế trong pin nhiên liệu.
Bài đánh giá trước tiên phân tích các con đường phản ứng liên quan đến các bước Tafel, Volmer và Heyrovsky, giải thích cách năng lượng liên kết hydro (HBE) và năng lượng liên kết hydroxit (OHBE) kiểm soát tốc độ xúc tác. Bài báo này tiếp tục đánh giá các lý thuyết mới bao gồm HBE biểu kiến, cơ chế hấp phụ OH lưỡng chức, hiệu ứng điện thế không tích điện, lý thuyết 2B cation kiềm và khả năng kết nối mạng liên kết hydro, nhấn mạnh rằng chưa có mô hình nào hoàn toàn nắm bắt được hành vi HOR.
Một quy trình nghiêm ngặt để đánh giá hiệu suất điện hóa được đề xuất, giải quyết các vấn đề về độ tin cậy do quá trình oxy hóa Ni trong quá trình đo. Các thông số bao gồm mật độ dòng điện động học, mật độ dòng điện trao đổi, diện tích bề mặt điện hóa, hoạt tính khối lượng, mật độ công suất đỉnh, khả năng chịu CO và độ bền được chuẩn hóa để so sánh công bằng. Bài báo này tổng hợp một trong những bộ dữ liệu đầy đủ nhất về hiệu suất HOR giữa các hợp kim Ni, nitrua, borua, oxit, cấu trúc lõi-vỏ, vật liệu nano pha tạp và chất nền lai.
Những điểm nổi bật trong phát triển bao gồm hợp kim NiCu, chất xúc tác MoNi₄ với HBE/OHBE được tối ưu hóa, hạt nano Ni₃N, thủy tinh kim loại ba thành phần Ni–Mo–Nb và hợp kim đa thành phần kết hợp Fe/Co/W/Cu để điều chỉnh điện tử. Một số hệ thống đạt được hoặc thậm chí vượt qua bạch kim về hoạt tính khối lượng HOR kiềm, đồng thời duy trì khả năng chống lại sự nhiễm độc CO và sự xuống cấp cấu trúc mạnh mẽ.
Các tác giả lưu ý,
Chúng ta hiện nay hiểu rằng niken không chỉ là một chất thay thế rẻ hơn, mà còn là một nền tảng xúc tác có thể điều chỉnh được,
“Bằng cách kết hợp lý thuyết cơ chế với thiết kế cấu trúc, chúng ta có thể điều chỉnh sự hấp phụ hydro và hydroxyl, ổn định bề mặt trong điều kiện kiềm và hướng dẫn sàng lọc chất xúc tác hợp lý.” Họ nhấn mạnh rằng nghiên cứu trong tương lai nên tích hợp quang phổ tại chỗ, mô phỏng tính toán tiên tiến và các giao thức hiệu suất tiêu chuẩn hóa, đẩy nhanh quá trình chuyển đổi các chất xúc tác trong phòng thí nghiệm thành các thiết bị pin nhiên liệu thực tế.
Các chất xúc tác gốc Ni cung cấp một con đường thực tế cho các công nghệ hydro chi phí thấp, đặc biệt là khi các chất xúc tác kim loại quý cản trở việc mở rộng quy mô. Lộ trình của bài đánh giá này có thể hỗ trợ các nhà nghiên cứu trong việc thiết kế các chất xúc tác HOR hoạt tính cao cho cực dương AEMFC, hệ thống tinh chế hydro và lưu trữ năng lượng thế hệ tiếp theo. Khi hoạt tính và độ bền tiếp tục được cải thiện thông qua kỹ thuật hợp kim, điều chỉnh khuyết tật và kiểm soát giao diện, vật liệu niken có thể hỗ trợ triển khai pin nhiên liệu thương mại trong xe cộ, điện phân tán và các thiết bị di động. Các tác giả dự đoán rằng việc đạt được hoạt động ổn định lâu dài và đáp ứng các mục tiêu của Bộ Năng lượng Hoa Kỳ (DOE) có thể đưa các chất xúc tác gốc Ni trở thành nền tảng của năng lượng hydro bền vững.
