Các mô hình cực dương mới để sản xuất hydro xanh
Sơ đồ biểu diễn của một máy điện phân với cực dương tinh thể. Tín dụng: FHI
Các nhà nghiên cứu từ Khoa Khoa học Giao diện tại Viện Fritz Haber thuộc Hiệp hội Max Planck đã tiến hành các thí nghiệm sử dụng các chất tiền xúc tác mô hình được xác định ở cấp độ nguyên tử để tiết lộ các chi tiết phức tạp của phản ứng tách nước bằng xúc tác điện, nhằm mục đích thúc đẩy quá trình sản xuất H2 xanh.
Biến đổi khí hậu đang diễn ra tạo ra mối đe dọa nghiêm trọng đối với nhân loại, ảnh hưởng đến cuộc sống của mọi người và đòi hỏi phải có các biện pháp để thực hiện một nền kinh tế năng lượng bền vững hơn. Việc sản xuất năng lượng 'xanh' là một thành phần quan trọng. Tuy nhiên, sản xuất năng lượng phải đi kèm với phương pháp lưu trữ và vận chuyển kinh tế.
Hydro xanh (H2) vừa đóng vai trò là phương tiện lưu trữ và phương tiện vận chuyển, vừa được chuyển đổi thành các sản phẩm công nghiệp hữu ích khác hoặc chất mang năng lượng như amoniac. Nó có thể được tạo ra bằng phương pháp điện phân thông qua quá trình phân hủy các phân tử nước có năng lượng điện xanh. Trong tế bào xúc tác điện, phân tử hydro được tạo ra ở cực âm, trong khi cực dương tạo ra oxy phân tử (O2).
Quá trình sản xuất O2 ở cực dương là một quy trình phức tạp gồm nhiều bước, khiến việc thiết kế cực dương tiết kiệm năng lượng trở nên khó khăn. Kết quả là hầu hết các nghiên cứu về hiện tượng tách nước đều tập trung vào cực dương hơn là cực âm. Trong các máy điện phân thực sự, cực dương có thành phần hóa học và hình thái phức tạp, cản trở sự hiểu biết cơ bản về các quá trình điện phân vốn rất cần thiết cho việc tối ưu hóa tiếp theo của chúng.
Dữ liệu liên quan có thể khó tìm, giống như mò kim đáy bể. Để giải quyết vấn đề này, các nhà khoa học tại Khoa Khoa học Giao diện tại FHI đã triển khai một phương pháp thử nghiệm thay thế cực dương phức tạp bằng hệ thống tiền xúc tác mô hình đơn giản hơn.
Theo phương pháp này, chất tiền xúc tác anode là một màng oxit mỏng tinh thể được xác định rõ ràng, cho phép kiểm soát các biến thể trong thành phần và cấu trúc ban đầu của nó. Để đảm bảo độ tinh khiết, các cực dương được chuẩn bị trong điều kiện chân không cực cao và tất cả các nghiên cứu tiếp theo được thực hiện trong cùng một hệ thống mô tả đặc tính thí nghiệm mà không để mẫu tiếp xúc với không khí xung quanh.
Phương pháp nghiêm ngặt này bảo vệ cực dương khỏi bị nhiễm bẩn trong suốt quá trình thử nghiệm, ngăn chặn mọi tác động bất lợi đến dữ liệu thử nghiệm. Biết các đặc tính của cực dương một cách chi tiết về nguyên tử là khía cạnh trọng tâm của phương pháp này. Trọng tâm chính là nghiên cứu các khía cạnh trọng tâm của xúc tác phân tách nước, bao gồm các chi tiết vi mô cơ học của phản ứng tạo thành O2, các vị trí hoạt động, lão hóa điện cực cũng như vai trò của cấu trúc và thành phần bề mặt của cực dương đối với hiệu suất phân tách nước.
Cụ thể hơn, trong tài liệu đã biết rõ rằng lớp oxyhydroxide được hình thành trên bề mặt xúc tác trong điều kiện operando, nhưng đặc điểm của lớp này cũng như cấu trúc, độ dày và thành phần tối ưu vẫn chưa được biết rõ. Tuy nhiên, người ta thừa nhận rằng có một sự biến đổi cấu trúc thống nhất diễn ra trong quá trình sản xuất O2, bất kể cấu trúc tiền xúc tác ban đầu là gì.
Mặt khác, và như được mô tả trong phần đóng góp hiện tại, các đặc tính cụ thể của cực dương tiền xúc tác xác định sự biến đổi diễn ra trong quá trình hoạt động và cuối cùng là hoạt động lâu dài và độ ổn định của chất điện phân.
Người ta biết rằng việc bổ sung sắt vào cực dương oxit coban giúp tăng cường đáng kể hiệu suất của chúng, mặc dù cơ chế cơ bản vẫn đang được thảo luận. Đạt được sự hiểu biết toàn diện về vai trò cụ thể của việc bổ sung sắt là rất quan trọng để tối ưu hóa quá trình tách nước. Để theo đuổi mục tiêu này, nhóm nghiên cứu đã tiến hành một nghiên cứu về cực dương oxit màng mỏng hỗn hợp tinh thể, khám phá các tỷ lệ Co:Fe khác nhau.
Cấu trúc cực dương phẳng và rõ ràng cho phép nhóm nghiên cứu thiết lập mối quan hệ định lượng giữa thành phần, cấu trúc của oxit và hiệu suất hình thành O2, làm cho tác dụng có lợi của việc bổ sung sắt trở nên rõ ràng. Các nghiên cứu về độ ổn định còn tiết lộ thêm những cải tiến về hiệu suất nhờ vào quá trình hòa tan sắt, cuối cùng hội tụ chất xúc tác hướng tới cực dương có hoạt tính cao ổn định.
Nghiên cứu này đề cập đến hai khía cạnh thích hợp của công nghệ tách nước, tập trung vào việc giảm thiểu chi phí liên quan đến việc chế tạo và vận hành máy điện phân. Giữ các chi phí này ở mức thấp bằng cách hướng tới các điều kiện phản ứng kiềm và vật liệu dồi dào trên Trái đất có ý nghĩa quan trọng đối với việc triển khai rộng rãi nền kinh tế năng lượng dựa trên H2.
Công nghệ điện phân hiện nay sử dụng kim loại hiếm, iridium và bạch kim để điện phân tiết kiệm năng lượng. Việc thay thế những kim loại đắt tiền này bằng coban và oxit gốc sắt rẻ hơn sẽ làm giảm chi phí tách nước tổng thể, tăng tính hấp dẫn kinh tế của quá trình này. Hiệu suất điện là một yếu tố quan trọng khác cần cân nhắc về chi phí, tùy thuộc vào thành phần hóa học và hình thái học của điện cực. Cái này nghiên cứu nhằm mục đích nâng cao hiểu biết của chúng ta về mối quan hệ phản ứng cấu trúc để thiết kế chất xúc tác điện hợp lý.
Nghiên cứu được công bố trên tạp chí Truyền thông Tự nhiên.
