Các chiến lược mới tăng cường độ ổn định của các hạt nano kim loại trong sản xuất hydro xanh
Chất xúc tác chi phí thấp hiệu quả và bền bỉ là điều cần thiết cho sản xuất hydro xanh và sản xuất nhiên liệu hóa học liên quan, cả hai đều là công nghệ quan trọng để chuyển đổi sang năng lượng tái tạo. Nghiên cứu trong lĩnh vực này ngày càng tập trung vào các phản ứng hòa tan kim loại để chế tạo chất xúc tác có tính chất cải thiện.
Một nghiên cứu mới do Forschungszentrum Jülich dẫn đầu, phối hợp với các tổ chức quốc tế, đã tiết lộ khoảng trống oxy trong vật liệu oxit ảnh hưởng như thế nào đến độ ổn định của các hạt nano kim loại trên bề mặt của các vật liệu đó, rất quan trọng đối với hiệu suất của chất xúc tác. Những phát hiện được công bố trên tạp chí Nature Communications tiết lộ các chiến lược thực tế để tăng cường độ bền của chất xúc tác và làm cho sản xuất hydro xanh cạnh tranh hơn.
Nghiên cứu tập trung vào quá trình giải phóng kim loại, một quy trình tương đối mới trong đó các chất tạp kim loại ban đầu là một phần của mạng oxit trong vật liệu oxit được giải phóng trong quá trình khử nhiệt để tạo thành các hạt nano trên bề mặt oxit. Các hạt nano này, kết hợp với chất nền oxit, tạo ra các giao diện hoạt động cao, rất quan trọng để xúc tác các phản ứng điện hóa, chẳng hạn như tách nước để sản xuất hydro xanh.
Các nhà nghiên cứu chứng minh rằng khoảng trống oxy - khiếm khuyết trong mạng tinh thể oxit nơi thiếu các nguyên tử oxy - đóng một vai trò quan trọng trong sự ổn định của hạt nano. Các oxit có nồng độ cao của khoảng trống oxy được sử dụng, ví dụ, trong pin nhiên liệu và pin điện phân, thể hiện sự di động bề mặt tăng lên của các hạt nano ở nhiệt độ cao, điển hình cho hoạt động, khiến chúng kết hợp thành các hạt lớn hơn.
Sự kết hợp này làm giảm mật độ của các vị trí hoạt động, do đó làm giảm hiệu quả của chất xúc tác. Ngược lại, các oxit có nồng độ oxy thấp hơn sẽ ổn định các hạt nano, ngăn chặn sự kết hợp và duy trì hoạt động xúc tác theo thời gian.
Nhóm nghiên cứu cũng xác định một phương pháp đơn giản nhưng hiệu quả để giảm thiểu những tác động này. Đưa hơi nước vào môi trường phản ứng làm tăng nhẹ áp suất riêng phần oxy, giảm số lượng trống oxy ở giao diện giữa oxit và hạt nano.
Điều chỉnh này giúp tăng cường độ ổn định của hạt nano và kéo dài độ bền của chất xúc tác. Ngoài ra, việc sửa đổi thành phần của vật liệu oxit để giảm nồng độ khoảng trống oxy vốn dĩ cung cấp một cách tiếp cận khả thi khác để đạt được sự ổn định lâu dài.
Mức độ liên quan của xã hội và khoa học
Những phát hiện này có ý nghĩa quan trọng đối với sự phát triển của các hệ thống năng lượng tái tạo. Chất xúc tác hòa tan đang được thảo luận như những ứng cử viên đầy hứa hẹn để thay thế các vật liệu thông thường, đặc biệt là trong các tế bào oxit rắn.
Các tế bào oxit rắn rất quan trọng để sản xuất hydro xanh, một chất mang năng lượng thiết yếu để lưu trữ và vận chuyển, đồng thời chuyển đổi nó trở lại thành điện năng ở mức hiệu quả cao nhất. Độ bền của chất xúc tác ảnh hưởng trực tiếp đến tính khả thi về kinh tế và hoạt động của các thiết bị này.
Mặc dù các phản ứng hòa tan kim loại cung cấp một cách tiếp cận đầy hứa hẹn để phát triển các chất xúc tác với các đặc tính nâng cao, độ bền hạn chế của các chất xúc tác này - dễ bị xuống cấp cấu trúc và hóa học trong điều kiện hoạt động - vẫn là một rào cản đáng kể đối với ứng dụng thực tế của chúng trong các công nghệ năng lượng xanh. Bằng cách giải quyết vấn đề kết hợp hạt nano, nghiên cứu này có thể dẫn đến những tiến bộ về khả năng tồn tại của các chất xúc tác mới này.
Nghiên cứu cung cấp các chiến lược có thể hành động để cải thiện độ bền của chất xúc tác thông qua việc điều chỉnh điều kiện phản ứng và thành phần vật liệu và thể hiện một bước tiến quan trọng trong việc phát triển công nghệ năng lượng tái tạo.
