Một nhóm các nhà khoa học vật liệu từ Đại học Công nghệ Đại Liên ở Đại Liên, Trung Quốc, đã chế tạo một chất xúc tác điện sử dụng hợp kim sắt-niken silicide (FeNiSi) rẻ tiền và các phương pháp đơn giản để giảm hiệu quả năng lượng cần thiết để tạo ra hydro sạch từ nước.
Hợp kim này cũng làm giảm năng lượng cần thiết để tạo ra oxy từ nước, làm cho chất xúc tác có chức năng kép.
Các nhà nghiên cứu đã công bố nghiên cứu của họ trên tạp chí Năng lượng nghiên cứu Nano .
Yifu Zhang, tác giả chính của nghiên cứu và nhà nghiên cứu tại Trường Hóa học thuộc Đại học Công nghệ Đại Liên, cho biết: “Điều thực sự hạn chế sự phát triển và ứng dụng thực tế của công nghệ điện phân nước là vật liệu xúc tác điện”. “Hiện nay, các chất xúc tác thông thường như kim loại quý hầu hết là chất xúc tác đơn chức năng, điều này hạn chế ứng dụng thực tế của phương pháp điện phân nước để sản xuất hydro. Vì vậy, việc nghiên cứu và phát triển vật liệu xúc tác điện hai chức năng hiệu quả, ổn định, rẻ tiền và thân thiện với môi trường là mục tiêu hàng đầu trong lĩnh vực xúc tác điện.”
Hợp kim silicide kim loại chuyển tiếp là những hợp chất độc đáo thường được sử dụng trong các lĩnh vực liên quan đến năng lượng, được sản xuất với giá rẻ và hứa hẹn là chất xúc tác điện tiềm năng. Các hợp kim này được làm từ kim loại chuyển tiếp, là chất xúc tác tuyệt vời, tự do cho và nhận electron trong các phản ứng hóa học, và các nguyên tử silicon, giúp tăng cường độ ổn định, khả năng chịu nhiệt và khả năng tiếp cận của các nguyên tử kim loại chuyển tiếp hợp kim khi có điện.
Sắt và niken, hai kim loại chuyển tiếp, rất thích hợp để sử dụng làm chất diệt khuẩn kim loại chuyển tiếp để tách nước. “Chất niken silicide đã được nghiên cứu sâu vì độ bền thấp và hoạt tính kim loại cao, đặc biệt là trong lĩnh vực điện hóa. Ngoài ra, nhiều nghiên cứu gần đây đã chỉ ra rằng vật liệu gốc Fe-Ni có tiềm năng đáng kể trong lĩnh vực tách nước điện hóa. Mục đích của nghiên cứu này là phát triển một quy trình chi phí thấp, thân thiện với môi trường để điều chế sắt niken silicide làm chất xúc tác nước điện phân hai chức năng (EWS),” Zhang cho biết.
Nhóm nghiên cứu đã sản xuất FeNiSi theo hai bước. Đầu tiên, magadiite đất sét tự nhiên, một nguồn silicon, sắt clorua và niken clorua được nung nóng dưới áp suất để tạo ra silicat sắt-niken. Sau đó, silicat sắt-niken được kết hợp và đun nóng với magie và natri clorua (muối ăn) để phát triển cấu trúc có trật tự của hợp kim FeNiSi. Điều quan trọng là đây là lần đầu tiên một hợp kim silicide kim loại được sản xuất bằng loại phản ứng hóa học này, sử dụng silicat kim loại làm vật liệu phản ứng.
Kính hiển vi điện tử và kỹ thuật mô tả đặc tính tia X cho thấy quá trình sản xuất đã tạo ra nhiều cấu trúc lỗ rỗng trong hợp kim FeNiSi cuối cùng, làm tăng diện tích bề mặt và hiệu suất xúc tác điện tổng thể. Hợp kim FeNiSi làm giảm điện thế cần thiết để tách oxy và hydro khỏi nước xuống 308 mV đối với phản ứng tạo oxy (OER) và 386 mV đối với HER, tương ứng ở dòng điện 10 mA·cm⁻². Chất xúc tác điện cũng cho thấy độ bền đủ sau 15 giờ sử dụng.
Nhóm nghiên cứu mong muốn FeNiSi và các silicat kim loại chuyển tiếp khác góp phần tổng hợp khí hydro sạch cho nhu cầu năng lượng trong tương lai.
“Công trình này không chỉ cung cấp một phương pháp dễ dàng để tổng hợp silicide liên kim loại với cấu trúc xốp đáng kể mà còn cho phép silicide liên kim loại được coi là chất xúc tác điện hai chức năng cho EWS. Zhang cho biết: Các chất xúc tác điện tử silic liên kim loại hiệu quả và chi phí thấp sẽ mang lại cơ hội mới cho việc chuyển đổi năng lượng tái tạo.
Những người đóng góp khác bao gồm Xuyang Jing, Yang Mu, Zhanming Gao và Xueying Dong từ Trường Hóa học tại Đại học Công nghệ Đại Liên ở Đại Liên, Trung Quốc; Changgong Meng từ Trường Hóa học và Trường Cao đẳng Kỹ thuật Hóa học và Môi trường tại Đại học Công nghệ Đại Liên; và Chi Huang từ Trường Cao đẳng Hóa học và Khoa học Phân tử tại Đại học Vũ Hán ở Vũ Hán, Trung Quốc.
