Biến nước máy thành hydro: Chiến lược mới cho phép máy điện phân PEM sử dụng nước không tinh khiết
bởi Ingrid Fadelli, Phys.org
Ảnh hưởng của tạp chất cation đến hiệu suất của máy điện phân PEM. a, b, Đường cong phân cực (a) và thử nghiệm đo điện thế thời gian ở 1,0 A cm−2 (b) của máy điện phân Pt/C||IrO2 được cung cấp nước DI chứa các ion Na+, Ca2+ hoặc Fe3+. Trong a và b, các đường cong cho máy điện phân PEM hoạt động trong nước DI được đưa vào để tham khảo. Tải chất xúc tác của bộ điện phân Pt/C||IrO2: 2 mgPt/C trên cm2 (mgPt/C cm−2; 0,4 mgPt cm−2) và 0,5 mgIrO2 cm2. c, Minh họa sơ đồ về sự ghép nối của điện cực siêu nhỏ pH với SECM để theo dõi độ pH tại chỗ trong lớp xúc tác Pt/C (CL). Lưu ý rằng nước cấp được cung cấp ở cả hai bên và nước cấp anot và catot được trộn lẫn trong quá trình vận hành bộ điện phân. d, Giá trị pH-cathode được đo ở các mật độ dòng điện khác nhau trong khoảng cách cố định 1 μm giữa điện cực siêu nhỏ pH và lớp xúc tác. Tất cả các giá trị được biểu thị dưới dạng trung bình ± độ lệch chuẩn (s.d.); các thanh lỗi biểu thị độ lệch chuẩn cho ba phép đo. e, pHcathode được quét ở 0,5 A cm−2 trong mặt phẳng x–y trên diện tích 100 μm × 100 μm. f, Độ linh động xuyên màng của Na+, Ca2+ và Fe3+ khi bộ điện phân hoạt động ở 1,0 A cm−2. Nguồn: Wang và cộng sự (Nature Energy, 2025).
Trong những năm gần đây, các kỹ sư năng lượng đã nghiên cứu nhiều công nghệ khác nhau có thể giúp tạo ra và lưu trữ điện năng bền vững hơn. Chúng bao gồm bộ điện phân, các thiết bị có thể sử dụng điện có nguồn gốc từ quang điện, tua bin gió hoặc các công nghệ năng lượng khác để phân tách nước (H2O) thành hydro (H2) và oxy (O2), thông qua một quá trình được gọi là điện phân.
Hydro do máy điện phân tạo ra có thể được sử dụng trong pin nhiên liệu, các thiết bị chuyển đổi năng lượng hóa học trong hydro thành điện mà không cần đốt cháy và có thể được sử dụng để cung cấp năng lượng cho xe tải, xe buýt, xe nâng và nhiều loại xe hạng nặng khác hoặc có thể cung cấp nguồn điện dự phòng cho bệnh viện, trung tâm dữ liệu và các cơ sở khác.
Nhiều máy điện phân được thiết kế gần đây thúc đẩy quá trình phân tách nước thành hydro bằng màng trao đổi proton (PEM), một màng cho phép proton (H+) đi qua một cách chọn lọc, đồng thời chặn khí.
Máy điện phân PEM được phát hiện tạo ra hydro có độ tinh khiết cao hơn so với máy điện phân kiềm, hiện đang được sử dụng nhiều nhất. Tuy nhiên, chúng cũng đắt hơn và cần nước siêu tinh khiết, vì tạp chất (ví dụ: ion tích điện dương, ion tích điện âm và các chất gây ô nhiễm khác) khiến các thiết bị phân hủy nhanh chóng theo thời gian.
Các nhà nghiên cứu tại Đại học Thiên Tân và các viện khác gần đây đã đưa ra một chiến lược để cải thiện chất xúc tác cho máy điện phân PEM, cho phép chúng cũng phân tách nước không tinh khiết.
Chiến lược của họ, được nêu trong một bài báo được công bố trên tạp chí Nature Energy, bao gồm việc tạo ra một môi trường vi mô có tính axit trong các máy điện phân PEM, bằng cách biến đổi các lớp chất xúc tác catốt bằng cách sử dụng một loại hợp chất gọi là oxit axit Brønsted.
"Các máy điện phân PEM thường sử dụng nước siêu tinh khiết làm nguyên liệu đầu vào vì các chất gây ô nhiễm vết trong nước đầu vào, đặc biệt là tạp chất cation, có thể khiến chúng bị hỏng", Ruguang Wang, Yuting Yang và các đồng nghiệp của họ đã viết trong bài báo của họ.
"Việc phát triển các máy điện phân PEM có thể chịu được nước có độ tinh khiết thấp hơn có thể giảm thiểu quá trình xử lý nước trước, giảm chi phí bảo trì và kéo dài tuổi thọ của hệ thống.
"Trong bối cảnh này, chúng tôi đã phát triển một máy điện phân PEM được điều chỉnh pH trong môi trường vi mô có thể hoạt động ổn định trong nước không tinh khiết ('nước máy') trong hơn 3.000 giờ ở mật độ dòng điện là 1,0 A cm−2, duy trì hiệu suất tương đương với các máy điện phân PEM hiện đại sử dụng nước tinh khiết".
Để đánh giá tiềm năng của chiến lược của mình, Wang, Yang và các đồng nghiệp đã thêm oxit axit Brønsted MoO3-x vào cực âm làm bằng bạch kim và carbon (Pt/C). Họ phát hiện ra rằng khi được tích hợp vào máy điện phân PEM như một chất xúc tác, cực âm này đã tăng cường hiệu suất của chúng, cho phép chúng sản xuất hydro một cách đáng tin cậy từ nước không tinh khiết, mà không bị phân hủy nhanh theo thời gian.
"Sử dụng một kỹ thuật kết hợp độ pH siêu vi điện cực với kính hiển vi điện hóa quét, chúng tôi đã theo dõi các điều kiện pH cục bộ trong một máy điện phân PEM tại chỗ, phát hiện ra rằng oxit axit Brønsted có thể làm giảm pH cục bộ", Wang, Yang và các đồng nghiệp của họ đã viết.
"Do đó, chúng tôi đã đưa oxit axit Brønsted, MoO3-x, vào catốt Pt/C để tạo ra một môi trường vi mô có tính axit mạnh giúp tăng cường động học sản xuất hydro, ức chế lắng đọng/kết tủa trên catốt và ngăn chặn sự phân hủy của màng".
Nghiên cứu này có thể mở ra những khả năng mới thú vị cho việc thiết kế các máy điện phân PEM, vì nó có thể giúp giảm sự phụ thuộc của chúng vào nước siêu tinh khiết và do đó giúp chúng dễ triển khai hơn trong các bối cảnh thực tế.
Trong tương lai, các kỹ sư năng lượng khác có thể dựa trên những phát hiện của nhóm để phát triển các máy điện phân PEM khác có thể phân tách nước không tinh khiết thành hydro một cách đáng tin cậy.
Được viết bởi
hoặc bạn của tác giả Ingrid Fadelli, biên tập bởi Sadie Harley, kiểm tra thực tế và đánh giá bởi Andrew Zinin—bài viết này là kết quả của quá trình làm việc cẩn thận của con người. Chúng tôi tin tưởng vào những độc giả như bạn để duy trì báo chí khoa học độc lập. Nếu báo cáo này quan trọng với bạn, vui lòng cân nhắc quyên góp (đặc biệt là hàng tháng). Bạn sẽ nhận được một tài khoản không có quảng cáo như một lời cảm ơn.
Thông tin thêm: Ruguang Wang và cộng sự, Các lớp xúc tác catốt được biến đổi bằng oxit axit Brønsted để cải thiện màng điện phân trao đổi proton để tách nước không tinh khiết, Nature Energy (2025). DOI: 10.1038/s41560-025-01787-9
Thông tin tạp chí: Nature Energy
