Các nhà khoa học Argonne, UChicago tạo ra cách chi phí thấp để sản xuất nhiên liệu hydro sạch
Nguồn cung cấp dồi dào năng lượng sạch đang ẩn nấp trong tầm nhìn rõ ràng. Hydro có thể cung cấp năng lượng cho các phương tiện trong khi không thải ra gì ngoài nước; nó cũng là một hóa chất quan trọng cho nhiều quy trình công nghiệp, đáng chú ý nhất là sản xuất thép và sản xuất amoniac.
Là một phần của nhiệm vụ chống biến đổi khí hậu, các nhà khoa học đang tìm kiếm các phương pháp sản xuất hydro từ nước với chi phí thấp để thay thế nhiên liệu hóa thạch. Để thực sự sạch, quá trình này cần được thực hiện bằng cách sử dụng năng lượng tái tạo.
Một nhóm đa tổ chức do Phòng thí nghiệm Quốc gia Argonne, một phòng thí nghiệm của Bộ Năng lượng Hoa Kỳ trực thuộc Đại học Chicago, dẫn đầu, đã phát triển một chất xúc tác chi phí thấp cho một quy trình tạo ra hydro sạch từ nước.
Di-Jia Liu , một nhà hóa học cao cấp tại Argonne, người giữ một cuộc hẹn chung tại Trường Kỹ thuật Phân tử Pritzker tại Đại học Chicago, cho biết:
Kết quả của chúng tôi thiết lập một con đường đầy hứa hẹn trong việc thay thế các chất xúc tác làm từ kim loại quý đắt tiền bằng các nguyên tố rẻ hơn và phong phú hơn nhiều.
Tháo gỡ nút thắt cổ chai
Quá trình tách nước thành hydro và oxy được gọi là điện phân, và nó đã tồn tại hơn một thế kỷ.
Trước đây, kỹ thuật cho quá trình này sử dụng rất nhiều năng lượng. Nhưng một thế hệ công nghệ mới cho quy trình này, được gọi là máy điện phân màng trao đổi proton, có thể chạy với hiệu suất cao hơn ở gần nhiệt độ phòng. Nhu cầu năng lượng giảm khiến chúng trở thành lựa chọn lý tưởng để sản xuất hydro sạch bằng cách sử dụng các nguồn tái tạo nhưng không liên tục, chẳng hạn như năng lượng mặt trời và gió.
Tuy nhiên, chi phí vẫn là một vấn đề. Một trong những chất xúc tác trong quá trình đó sử dụng iridi, có giá thị trường hiện tại khoảng 5.000 USD/ounce. Việc thiếu nguồn cung cấp và chi phí cao của iridi là rào cản lớn đối với việc áp dụng rộng rãi các máy điện phân PEM.
Nhóm đã có thể phát triển một chất xúc tác mới có thành phần chính là coban, rẻ hơn đáng kể so với iridi.
Liu cho biết: “Bằng cách sử dụng chất xúc tác dựa trên coban được điều chế theo phương pháp của chúng tôi, người ta có thể loại bỏ nút thắt chi phí chính để sản xuất hydro sạch trong máy điện phân.
Giner Inc., một công ty nghiên cứu và phát triển hàng đầu đang hướng tới thương mại hóa máy điện phân và pin nhiên liệu, đã đánh giá chất xúc tác mới bằng cách sử dụng các trạm thử nghiệm máy điện phân PEM của mình trong các điều kiện vận hành công nghiệp. Hiệu suất và độ bền vượt xa các chất xúc tác của đối thủ cạnh tranh.
Thành tích của nhóm là một bước tiến trong sáng kiến Earthshot năng lượng hydro của Bộ Năng lượng, bắt chước chương trình không gian của Hoa Kỳ “Moon Shot” của những năm 1960. Mục tiêu đầy tham vọng của nó là giảm chi phí sản xuất hydro xanh xuống còn một đô la/kg trong một thập kỷ. Sản xuất hydro xanh với chi phí đó có thể định hình lại nền kinh tế của quốc gia.
Các ứng dụng bao gồm lưới điện, sản xuất, giao thông vận tải và sưởi ấm khu dân cư và thương mại.
phân tích tia X
Bằng cách hiểu cơ chế phản ứng ở quy mô nguyên tử trong điều kiện hoạt động, các nhà khoa học có thể tinh chỉnh hiệu suất của nó.
Jianguo Wen , một nhà khoa học vật liệu Argonne, cho biết:
Chúng tôi đã chụp ảnh cấu trúc nguyên tử trên bề mặt của chất xúc tác mới ở các giai đoạn chuẩn bị khác nhau.
Nhóm đã giải mã những thay đổi cấu trúc quan trọng xảy ra trong chất xúc tác trong điều kiện vận hành bằng cách sử dụng các phân tích tia X tại Nguồn Photon Nâng cao ở Argonne. Họ cũng xác định các tính năng chính của chất xúc tác bằng cách sử dụng kính hiển vi điện tử tại Phòng thí nghiệm Sandia và tại Trung tâm Vật liệu kích thước nano của Argonne.
Nguồn Photon Tiên tiến và Trung tâm Vật liệu Nano đều là cơ sở người dùng của Văn phòng Khoa học DOE. Ngoài ra, mô hình tính toán tại Phòng thí nghiệm Berkeley đã tiết lộ những hiểu biết quan trọng về độ bền của chất xúc tác trong các điều kiện phản ứng.
Điểm nổi bật:
- Chất xúc tác mới giảm chi phí sản xuất hydro bền vững với môi trường từ nước
Các nhà khoa học Argonne, UChicago tạo ra phương pháp sản xuất nhiên liệu hydro sạch với chi phí thấp
