Các nhà khoa học Hàn Quốc phát triển chất xúc tác hydro hiệu quả nhất thế giới bằng cách sử dụng 1/3 kim loại quý
Bởi Khoa Kỹ thuật, Đại học Quốc gia Seoul
Ngày 4 tháng 4 năm 2025
Sơ đồ của cụm nano lõi-vỏ. Nguồn: Khoa Kỹ thuật, Đại học Quốc gia Seoul
Thiết kế "chất xúc tác cấu trúc lõi-vỏ" sử dụng rutheni tiết kiệm chi phí để cải thiện tiềm năng thương mại hóa. Được chọn làm bài báo trang bìa trên tạp chí xúc tác uy tín Energy & Environmental Science.
Khoa Kỹ thuật, Đại học Quốc gia Seoul đã công bố một bước tiến đáng kể trong sản xuất hydro thân thiện với môi trường. Một nhóm nghiên cứu do Giáo sư Jin Young Kim từ Khoa Khoa học và Kỹ thuật Vật liệu dẫn đầu, hợp tác với Giáo sư Chan Woo Lee của Đại học Kookmin và Tiến sĩ Sung Jong Yoo của Viện Khoa học và Công nghệ Hàn Quốc (KIST), đã phát triển một chất xúc tác điện hóa cực kỳ tiên tiến. Bước đột phá này dự kiến sẽ thúc đẩy thế hệ công nghệ sản xuất hydro bền vững tiếp theo.
Chất xúc tác có cụm nano dựa trên rutheni (Ru) với cấu trúc lõi-vỏ. Mặc dù chỉ chứa một lượng nhỏ kim loại quý, nhưng nó đạt được hiệu suất vượt trội và độ ổn định đặc biệt. Khi được thử nghiệm trong các hệ thống điện phân nước quy mô công nghiệp, nó cho thấy hiệu quả ấn tượng, chứng minh tiềm năng mạnh mẽ cho mục đích thương mại.
(Từ trái sang phải) Tiến sĩ Hyun Woo Lim (Tác giả đầu tiên, Khoa Khoa học và Kỹ thuật Vật liệu SNU), Giáo sư Jin Young Kim (Tác giả liên hệ, Khoa Khoa học và Kỹ thuật Vật liệu SNU), Giáo sư Chan Woo Lee (Tác giả liên hệ, Khoa Hóa học Ứng dụng, Đại học Kookmin) và Tiến sĩ Sung Jong Yoo (Tác giả liên hệ, Viện Khoa học và Công nghệ Hàn Quốc). Nguồn: Cao đẳng Kỹ thuật, Đại học Quốc gia Seoul
Nghiên cứu đã được công bố trên Tạp chí Khoa học Năng lượng & Môi trường, một tạp chí hàng đầu trong lĩnh vực xúc tác. Nghiên cứu đã được chọn làm bài báo trang bìa, nêu bật cả cách tiếp cận sáng tạo và tác động học thuật của nó.
Hydro: Một giải pháp thay thế năng lượng sạch
Hydro được coi rộng rãi là nguồn năng lượng sạch vì nó không thải ra carbon dioxide khi đốt cháy, khiến nó trở thành một giải pháp thay thế đầy hứa hẹn cho nhiên liệu hóa thạch. Một trong những cách hiệu quả nhất để sản xuất hydro thân thiện với môi trường là thông qua điện phân nước, phương pháp này phân tách nước thành hydro và oxy bằng điện. Trong số các phương pháp điện phân khác nhau, Điện phân nước bằng màng trao đổi anion (AEMWE) đang được chú ý như một công nghệ thế hệ tiếp theo do khả năng sản xuất hydro có độ tinh khiết cao. Tuy nhiên, để AEMWE có thể khả thi về mặt thương mại, nó đòi hỏi các chất xúc tác vừa có hiệu suất cao vừa có độ ổn định lâu dài.
Các hạt có kích thước nano thể hiện hoạt động cao nhưng độ ổn định thấp, trong khi vật liệu khối thể hiện độ ổn định cao nhưng hoạt động thấp. Bằng cách tận dụng những lợi thế của cả hai loại vật liệu, một vật liệu nanocluster lõi-vỏ có cả hoạt động cao và độ ổn định đã được tổng hợp. Nguồn: Energy & Environmental Science, xuất bản lần đầu trên Energy & Environmental Science
Hiện nay, bạch kim (Pt) là chất xúc tác được sử dụng rộng rãi nhất để sản xuất hydro, nhưng chi phí cao và sự phân hủy nhanh của nó đặt ra những thách thức đáng kể. Mặc dù các nhà nghiên cứu đã khám phá các giải pháp thay thế kim loại không quý, nhưng những vật liệu này thường có hiệu suất thấp và độ ổn định kém, khiến chúng không phù hợp để sử dụng trong công nghiệp.
Để khắc phục những hạn chế này, nhóm nghiên cứu đã phát triển một chất xúc tác nanocluster lõi-vỏ mới dựa trên ruthenium (Ru), có hiệu quả về mặt chi phí cao hơn gấp đôi so với bạch kim. Bằng cách giảm kích thước chất xúc tác xuống dưới 2 nanomet (nm) và giảm thiểu lượng kim loại quý xuống chỉ còn một phần ba lượng được sử dụng trong các điện cực bạch kim thông thường, nhóm nghiên cứu đã đạt được hiệu suất vượt trội hơn so với các chất xúc tác bạch kim hiện có.
Hiệu suất và độ ổn định phá kỷ lục
Chất xúc tác mới được phát triển đã chứng minh hiệu suất cao hơn 4,4 lần so với chất xúc tác bạch kim có cùng hàm lượng kim loại quý, thiết lập một chuẩn mực mới về hiệu quả phản ứng tạo hydro. Ngoài ra, nó còn ghi nhận hiệu suất cao nhất từng được báo cáo trong số các chất xúc tác tạo hydro. Cấu trúc điện cực bọt độc đáo của nó tối ưu hóa nguồn cung cấp vật liệu phản ứng, đảm bảo độ ổn định vượt trội ngay cả trong điều kiện mật độ dòng điện cao.
Trong thử nghiệm AEMWE quy mô công nghiệp, chất xúc tác mới này cần ít điện năng hơn đáng kể so với chất xúc tác bạch kim thương mại. Kết quả này củng cố tiềm năng của nó như một giải pháp thay đổi cuộc chơi cho công nghệ điện phân nước thế hệ tiếp theo.
Đầu tiên, titanium dioxide (TiO₂) được pha tạp molypden (Mo) thông qua quá trình tổng hợp thủy nhiệt ban đầu. Tiếp theo, quá trình tổng hợp thủy nhiệt bổ sung được thực hiện để lắng đọng ruthenium oxide (RuO₂) lên chất nền titanium dioxide pha tạp molypden. Xử lý nhiệt ở nhiệt độ thấp tiếp theo (200°C) trong không khí tạo điều kiện cho sự khuếch tán giữa titanium, molypden và ruthenium oxide, tạo thành lõi cấu trúc địa ngục. Cuối cùng, quá trình khử điện hóa trong phản ứng tiến hóa hydro dẫn đến sự tổng hợp vật liệu nanocluster lõi-vỏ độc đáo. Nguồn: Energy &
Environmental Science, xuất bản lần đầu trên Energy & Environmental Science
Quá trình phát triển bao gồm một số cải tiến quan trọng. Đầu tiên, nhóm nghiên cứu xử lý chất nền bọt titan bằng hydro peroxide để tạo thành lớp oxit titan mỏng. Sau đó, pha tạp kim loại chuyển tiếp molypden (Mo). Tiếp theo, các hạt nano oxit ruthenium, có kích thước chỉ 1–2 nm, được lắng đọng đồng đều trên chất nền đã biến đổi.
Kỹ thuật cấp nguyên tử để tăng cường chức năng
Xử lý nhiệt độ thấp chính xác đã tạo ra sự khuếch tán cấp nguyên tử, tạo thành cấu trúc lõi-vỏ. Trong phản ứng tiến hóa hydro, quá trình khử điện hóa đã cải thiện thêm các đặc tính của vật liệu, tạo ra lõi kim loại ruthenium được bao bọc bởi lớp đơn titania khử xốp, với các nguyên tử molypden kim loại được định vị tại giao diện.
Nhìn về phía trước, chất xúc tác nanocluster lõi-vỏ dự kiến sẽ cải thiện đáng kể hiệu quả sản xuất hydro trong khi giảm đáng kể lượng kim loại quý cần thiết, cuối cùng là giảm chi phí sản xuất. Sự kết hợp giữa hiệu suất cao và tính khả thi về mặt kinh tế khiến nó trở thành ứng cử viên sáng giá để sử dụng trong pin nhiên liệu hydro cho xe cộ, hệ thống giao thông thân thiện với môi trường, nhà máy điện hydro và nhiều ứng dụng công nghiệp khác.
Ngoài các ứng dụng thực tế, bước đột phá này còn đại diện cho một tiến bộ công nghệ lớn có thể đẩy nhanh quá trình chuyển đổi từ hệ thống năng lượng dựa trên nhiên liệu hóa thạch sang nền kinh tế do hydro thúc đẩy.
Giáo sư Jin Young Kim nhấn mạnh tác động của nghiên cứu, tuyên bố rằng: "Chất xúc tác lõi-vỏ, mặc dù nhỏ hơn 2 nanomet, nhưng lại cho thấy hiệu suất và độ ổn định đáng chú ý. Bước đột phá này sẽ đóng góp đáng kể vào sự phát triển của công nghệ chế tạo thiết bị lõi-vỏ nano và sản xuất hydro, đưa chúng ta đến gần hơn với tương lai trung hòa carbon".
Trong khi đó, Tiến sĩ Hyun Woo Lim, tác giả đầu tiên của nghiên cứu, đã được chọn cho Chương trình học bổng Sejong của chính phủ và tiếp tục nghiên cứu của mình với tư cách là nghiên cứu sinh sau tiến sĩ tại phòng thí nghiệm của Giáo sư Kim tại Đại học Quốc gia Seoul. Trọng tâm hiện tại của ông là tiếp tục phát triển và thương mại hóa công nghệ chất xúc tác lõi-vỏ.
Tài liệu tham khảo: “Chất xúc tác nanocluster lõi-vỏ ruthenium–titania cho quá trình tiến hóa hydro kiềm hiệu quả và bền vững” của Hyun Woo Lim, Tae Kyung Lee, Subin Park, Dwi Sakti Aldianto Pratama, Bingyi Yan, Sung Jong Yoo, Chan Woo Lee và Jin Young Kim, ngày 22 tháng 1 năm 2025, Khoa học năng lượng và môi trường.
DOI: 10.1039/D4EE04867A
Nguồn tài trợ: Quỹ nghiên cứu quốc gia Hàn Quốc
