Các nhà khoa học ca ngợi 'công nghệ khả thi trong công nghiệp' mới có thể chiết xuất hydro từ nước biển

Các nhà khoa học ca ngợi 'công nghệ khả thi trong công nghiệp' mới có thể chiết xuất hydro từ nước biển
Tác giả: Ifath Arwah, Đại học Sharjah

Minh họa có hệ thống về quá trình hình thành cách thiết bị mới chiết xuất hydro từ nước biển. Nguồn: Small (2025). DOI: 10.1002/smll.202501376

Các nhà nghiên cứu từ Đại học Sharjah tuyên bố đã phát triển một công nghệ mới có khả năng sản xuất nhiên liệu hydro sạch trực tiếp từ nước biển và ở quy mô công nghiệp.

Trong một nghiên cứu được công bố trên tạp chí Small, các nhà nghiên cứu báo cáo rằng họ đã chiết xuất hydro mà không cần loại bỏ muối khoáng hòa tan trong nước biển hoặc thêm bất kỳ hóa chất nào.

Theo các tác giả, công nghệ này cho phép chiết xuất hydro từ nước biển mà không cần dựa vào các nhà máy khử muối, đòi hỏi khoản đầu tư lớn lên tới hàng trăm triệu đô la.

"Chúng tôi đã phát triển một điện cực mới, nhiều lớp có thể chiết xuất hydro trực tiếp từ nước biển một cách hiệu quả và bền vững. Các phương pháp truyền thống phải đối mặt với nhiều vấn đề, chủ yếu là ăn mòn và suy giảm hiệu suất do các ion clorua trong nước biển gây ra", Tiến sĩ Tanveer ul Haq, phó giáo sư tại Khoa Hóa học, Trường Khoa học, Đại học Sharjah và là tác giả chính của nghiên cứu cho biết.

Các tác giả đã thiết kế một điện cực được thiết kế đặc biệt, theo lời Tiến sĩ ul Haq, "khắc phục những vấn đề này bằng cách tạo ra một môi trường vi mô bảo vệ và phản ứng giúp tăng hiệu suất trong khi vẫn chống lại hư hỏng".

Trong một thế giới mà năng lượng sạch không còn là thứ xa xỉ mà là thứ cần thiết, hydro nổi lên như một trong những giải pháp đầy hứa hẹn nhất. Cho đến nay, các nhà khoa học chủ yếu dựa vào nước tinh khiết - một nguồn tài nguyên quý giá ở nhiều khu vực - để sản xuất hydro.

Nghiên cứu này giải quyết thách thức đó bằng cách giới thiệu một công nghệ mới có khả năng tạo ra hydro trực tiếp từ nước biển.

"Tóm lại, chúng tôi đã chứng minh rằng điện phân nước biển trực tiếp không chỉ khả thi mà còn có thể mở rộng quy mô, mang lại hiệu suất ở cấp độ công nghiệp trong khi vẫn bảo vệ điện cực trong quá trình sử dụng lâu dài", Tiến sĩ ul Haq nói thêm.

Trong nghiên cứu của mình, các nhà nghiên cứu mô tả thiết bị của họ là "thiết kế điện cực nhiều lớp, được thiết kế trong môi trường vi mô để điện phân nước biển bền vững". Khi hoạt động, thiết bị cung cấp "mật độ dòng điện hình học là 1 A cm-2 trong nước biển thực ở điện thế quá mức là 420 mV, không hình thành hypoclorit và có độ ổn định hoạt động vượt trội trong 300 giờ ở nhiệt độ phòng".

Nghiên cứu lưu ý rằng điện cực sản xuất hydro ở mức có thể áp dụng trong công nghiệp bằng cách sử dụng nước biển chưa qua xử lý. Hầu như toàn bộ đầu vào điện đã được chuyển đổi thành đầu ra khí, đạt hiệu suất Faradaic là 98%.

"Thiết kế anot tiên tiến đạt được mật độ dòng điện khả thi trong công nghiệp là 1,0 A cm-2 ở 1,65 V trong điều kiện tiêu chuẩn, đánh dấu một bước tiến đáng kể hướng tới sản xuất hydro có thể mở rộng quy mô, không cần khử muối trực tiếp từ nước biển".

Hiệu suất Faradic đo lường hiệu quả mà các electron tham gia vào một phản ứng điện hóa nhất định.

Hiệu suất Faradic: thế ăn mòn và mật độ dòng ăn mòn được ghi lại trước và sau 300 giờ điện phân, đo thời gian thế của phổ dải hóa trị và phổ Raman sau 300 giờ điện phân liên tục trong nước biển kiềm. Nguồn: Small (2025). DOI: 10.1002/smll.202501376
"Chúng tôi đã tạo ra một điện cực tiên tiến hoạt động trong nước biển thực mà không cần bất kỳ quá trình xử lý trước hoặc khử muối nào", tác giả liên hệ của nghiên cứu, Yousef Haik, giáo sư kỹ thuật cơ khí và hạt nhân tại Đại học Sharjah cho biết.

"Hệ thống của chúng tôi tạo ra hydro với tốc độ phù hợp với công nghiệp—1 ampe trên một centimet vuông—với đầu vào năng lượng thấp. Điều này có thể cách mạng hóa cách chúng ta suy nghĩ về sản xuất hydro ở các vùng ven biển, đặc biệt là ở các quốc gia khô cằn như UAE, nơi nước ngọt có hạn nhưng ánh sáng mặt trời và nước biển lại dồi dào".

Điểm mạnh của công nghệ nằm ở cấu trúc nhiều lớp tiên tiến của điện cực, không chỉ chịu được điều kiện nước biển khắc nghiệt mà còn phát triển mạnh trong đó. Thiết bị này tạo thành "một lớp màng metaborat bảo vệ, ngăn chặn sự hòa tan kim loại và sự hình thành oxit không dẫn điện"—một phương pháp loại bỏ nhu cầu lọc nước tốn nhiều năng lượng.

"Điều này bỏ qua quá trình khử muối tốn kém và lọc nước phức tạp, giúp sản xuất hydro xanh rẻ hơn và dễ tiếp cận hơn", đồng tác giả Mourad Smari, cộng sự nghiên cứu tại Viện Khoa học và Kỹ thuật của Đại học Sharjah cho biết.

Một trong những tính năng ấn tượng nhất của hệ thống là tuổi thọ của nó. "Nó hoạt động trong hơn 300 giờ mà không bị giảm hiệu suất, chống lại sự ăn mòn thường phá hủy các hệ thống tương tự", Tiến sĩ ul Haq cho biết. Nghiên cứu giải thích rằng lớp cacbonat "hoạt động như một lá chắn tĩnh điện", bảo vệ nhiều lớp của điện cực khỏi bị hòa tan.

Trong các thử nghiệm hiệu suất, điện cực đạt tần số quay vòng là 139,4 s-1 ở 1,6 V, mà các tác giả coi là một trong những tần số cao nhất được báo cáo cho các hệ thống tương tự.

"Tóm lại, hồ quang điện cực nhiều lớp 

kiến trúc được phát triển trong nghiên cứu này cung cấp một giải pháp hiệu quả cho quá trình điện phân nước biển trực tiếp hiệu quả", nghiên cứu kết luận.

"Hình thái nanosheet siêu mỏng, với diện tích bề mặt cao, tạo điều kiện cho chất xúc tác tiếp xúc và hoạt động đáng kể, tối đa hóa các vị trí bề mặt có sẵn để oxy hóa nước biển trực tiếp".

Tiến sĩ ul Haq nhấn mạnh tác động tiềm tàng của công nghệ này đối với sản xuất năng lượng sạch và bền vững.

"Công nghệ này có thể được áp dụng trong các nhà máy hydro quy mô lớn sử dụng nước biển thay vì nước ngọt quý giá. Hãy tưởng tượng các trang trại hydro chạy bằng năng lượng mặt trời dọc theo bờ biển UAE, sử dụng nước biển và ánh sáng mặt trời để sản xuất nhiên liệu sạch với lượng khí thải bằng không và áp lực tài nguyên tối thiểu".

Khi được yêu cầu giải thích một cách đơn giản về cách thức hoạt động của thiết kế nhiều lớp, Tiến sĩ ul Haq cho biết, "Thiết kế nhiều lớp của điện cực hoạt động giống như một bộ lọc thông minh—cho phép nước vào, ngăn chặn sự ăn mòn và tăng cường sản xuất hydro". Ông nói thêm rằng hiệu suất của hệ thống phần lớn là do cách nó xử lý các ion clorua trong nước biển.

Chức năng hóa cacbonat đẩy lùi các ion này và tạo ra một vi môi trường có tính axit cục bộ giúp đẩy nhanh phản ứng giải phóng oxy (OER), rất cần thiết cho quá trình sản xuất hydro. Bài báo lưu ý rằng cơ chế này "tăng cường động học OER và bảo vệ chống lại sự tấn công của clorua và sự hình thành kết tủa".

Công nghệ này đã thu hút sự quan tâm từ "các công ty khởi nghiệp năng lượng sạch và các trung tâm đổi mới khu vực", Tiến sĩ ul Haq lưu ý. "Đổi mới của chúng tôi biến nước biển từ một thách thức thành một giải pháp ... Đây là hydro sạch được tạo ra từ biển".

Các nhà nghiên cứu hiện đang mong muốn triển khai công nghệ của họ trên quy mô lớn. "Chúng tôi hiện đang chuyển từ quy mô phòng thí nghiệm đến thử nghiệm quy mô thí điểm, nhằm xác thực công nghệ trong điều kiện ngoài trời thực tế", Tiến sĩ ul Haq cho biết.

"Mục tiêu tiếp theo của chúng tôi là phát triển một máy phát hydro mô-đun chạy bằng năng lượng mặt trời, được thiết kế riêng để sử dụng ở các vùng ven biển khô cằn".

Thông tin thêm: Tanveer ul Haq et al, Thiết kế điện cực nhiều lớp được thiết kế theo môi trường vi mô để oxy hóa nước biển bền vững, Nhỏ (2025). DOI: 10.1002/smll.202501376

Do Đại học Sharjah cung cấp