Các nhà khoa học Ý phát triển hệ thống mới để sản xuất hydro xanh một cách rẻ tiền và hiệu quả
Các nhà nghiên cứu của IIT và BeDimensional đã sử dụng các hạt nano ruthenium, một kim loại quý tương tự như bạch kim về tính chất hóa học nhưng rẻ hơn nhiều, để đóng vai trò là pha hoạt động của cực âm của máy điện phân, giúp tăng hiệu suất của toàn bộ máy điện phân. Tín dụng: IIT-Istituto Italiano di Tecnologia
Một nỗ lực nghiên cứu hợp tác giữa IIT và công ty con BeDimensional của nó đã phát hiện ra một phương pháp sử dụng các hạt ruthenium kết hợp với hệ thống điện phân chạy bằng năng lượng mặt trời.
Cần những gì để sản xuất hydro xanh hiệu quả hơn và rẻ hơn? Rõ ràng là có các hạt ruthenium nhỏ và một hệ thống điện phân nước sử dụng năng lượng mặt trời. Đây là giải pháp được xác định bởi một nhóm chung bao gồm Istituto Italiano di Tecnologia (Viện Công nghệ Ý, IIT) của Genoa và BeDimensional S.p.A. (một nhánh IIT).
Công nghệ này được phát triển trong bối cảnh các hoạt động của Phòng thí nghiệm chung và gần đây được xuất bản trên hai tạp chí có hệ số tác động cao (Nature Communications và Tạp chí của Hiệp hội Hóa học Hoa Kỳ) dựa trên một dòng chất xúc tác điện mới có thể giảm chi phí sản xuất xanh. sản xuất hydro ở quy mô công nghiệp.
Hydro được coi là một vectơ năng lượng bền vững, thay thế cho nhiên liệu hóa thạch. Nhưng không phải tất cả hydro đều giống nhau khi nói đến tác động đến môi trường. Thật vậy, cách sản xuất hydro chính hiện nay là thông qua quá trình cải tạo hơi metan, một quá trình dựa trên nhiên liệu hóa thạch giải phóng carbon dioxide (CO2) dưới dạng sản phẩm phụ.
Khí hydro tạo ra từ quá trình này được phân loại là “xám” (khi CO2 được thải vào khí quyển) hoặc “xanh lam” (khi CO2 trải qua quá trình thu giữ và lưu giữ theo địa chất). Để giảm đáng kể lượng khí thải xuống 0 vào năm 2050, các quy trình này phải được thay thế bằng các quy trình bền vững hơn với môi trường để cung cấp hydro “xanh” (tức là lượng khí thải bằng 0). Chi phí của hydro “xanh” phụ thuộc rất nhiều vào hiệu suất năng lượng của thiết bị (máy điện phân) phân tách các phân tử nước thành hydro và oxy.
Đổi mới công nghệ trong sản xuất hydro
Các nhà nghiên cứu từ nhóm chung của khám phá này đã phát triển một phương pháp mới đảm bảo hiệu quả cao hơn các phương pháp hiện được biết đến trong việc chuyển đổi năng lượng điện (độ lệch năng lượng được khai thác để phân tách các phân tử nước) thành năng lượng hóa học được lưu trữ trong các phân tử hydro được tạo ra. . Nhóm nghiên cứu đã phát triển một khái niệm về chất xúc tác và sử dụng các nguồn năng lượng tái tạo, chẳng hạn như năng lượng điện được sản xuất bởi tấm pin mặt trời.
Giải pháp mới đã được xác định bởi một nhóm chung bao gồm Istituto Italiano di Tecnologia (Viện Công nghệ Ý, IIT) của Genoa và BeDimensional S.p.A. (một nhánh IIT). Trong ảnh: Liberato Manna (IIT), Francesco Bonaccorso (BeDimensional), Yong Zuo (IIT), Sebastiano Bellani (BeDimensional), Marilena Zappia (BeDimensional), Michele Ferri (IIT). Tín dụng: IIT-Istituto Italiano di Tecnologia
“Trong nghiên cứu của mình, chúng tôi đã chỉ ra cách có thể tối đa hóa hiệu quả của một công nghệ mạnh mẽ, được phát triển tốt, mặc dù khoản đầu tư ban đầu lớn hơn một chút so với mức cần thiết cho một máy điện phân tiêu chuẩn. Điều này là do chúng tôi đang sử dụng một kim loại quý như ruthenium”, Yong Zuo và Michele Ferri từ Nhóm Hóa học nano tại IIT ở Genoa nhận xét.
Các nhà nghiên cứu đã sử dụng các hạt nano ruthenium, một kim loại quý tương tự như bạch kim về tính chất hóa học nhưng rẻ hơn nhiều. Các hạt nano ruthenium đóng vai trò là pha hoạt động của cực âm của máy điện phân, giúp tăng hiệu suất của toàn bộ máy điện phân.
“Chúng tôi đã tiến hành các phân tích và thử nghiệm điện hóa trong các điều kiện quan trọng về mặt công nghiệp, cho phép chúng tôi đánh giá hoạt động xúc tác của vật liệu của mình. Ngoài ra, các mô phỏng lý thuyết cho phép chúng tôi hiểu được hoạt động xúc tác của hạt nano ruthenium ở cấp độ phân tử; nói cách khác, cơ chế phân tách nước trên bề mặt của chúng,” Sebastiano Bellani và Marilena Zappia từ BeDimensional, những người tham gia vào khám phá, giải thích. “Kết hợp dữ liệu từ các thử nghiệm của chúng tôi với các thông số quy trình bổ sung, chúng tôi đã tiến hành phân tích kinh tế kỹ thuật chứng minh tính cạnh tranh của công nghệ này khi so sánh với các máy điện phân tiên tiến nhất.”
Hiệu quả chi phí của công nghệ mới
Ruthenium là kim loại quý thu được với số lượng nhỏ dưới dạng sản phẩm phụ của quá trình chiết xuất bạch kim (30 tấn mỗi năm, so với sản lượng hàng năm là 200 tấn bạch kim) nhưng với chi phí thấp hơn (18,5 đô la mỗi gram so với 30 đô la cho bạch kim). Công nghệ mới này chỉ sử dụng 40 mg ruthenium trên mỗi kilowatt, trái ngược hoàn toàn với việc sử dụng rộng rãi bạch kim (lên tới 1 gam trên kilowatt) và iridium (từ 1 đến 2,5 gam trên mỗi kilowatt, với giá iridium vào khoảng 150 đô la). mỗi gam) ký tự đó thiết bị điện phân màng trao đổi proton.
Bằng cách sử dụng ruthenium, các nhà nghiên cứu tại IIT và BeDimensional đã cải thiện hiệu suất của máy điện phân kiềm, một công nghệ đã được sử dụng trong nhiều thập kỷ nhờ tính bền bỉ và chắc chắn của nó. Ví dụ, công nghệ này có trên tàu Apollo 11 đưa nhân loại lên mặt trăng vào năm 1969. Dòng cực âm dựa trên ruthenium mới dành cho máy điện phân kiềm đã được phát triển rất hiệu quả và có thời gian hoạt động lâu dài, do đó có khả năng giảm chi phí sản xuất hydro xanh.
Các nhà nghiên cứu kết luận: “Trong tương lai, chúng tôi có kế hoạch áp dụng công nghệ này và các công nghệ khác, chẳng hạn như chất xúc tác cấu trúc nano dựa trên vật liệu hai chiều bền vững, trong các máy điện phân quy mô lớn chạy bằng năng lượng điện từ các nguồn tái tạo, bao gồm cả điện được sản xuất bởi các tấm quang điện”. .
Tham khảo: “Cấu trúc nano Ru-Cu cho phản ứng tiến hóa hydro hiệu quả trong máy điện phân nước kiềm” của Yong Zuo, Sebastiano Bellani, Gabriele Saleh, Michele Ferri, Dipak V. Shinde, Marilena Isabella Zappia, Joka Buha, Rosaria Brescia, Mirko Prato, Roberta Pascazio , Abinaya Annamalai, Danilo Oliveira de Souza, Luca De Trizio, Ivan Infante, Francesco Bonaccorso và Liberato Manna, ngày 25 tháng 9 năm 2023, Tạp chí của Hiệp hội Hóa học Hoa Kỳ.
DOI: 10.1021/jacs.3c06726
“Máy điện phân nước kiềm hiệu suất cao dựa trên cực âm tiểu cầu nano Cu bị xáo trộn” của Yong Zuo, Sebastiano Bellani, Michele Ferri, Gabriele Saleh, Dipak V. Shinde, Marilena Isabella Zappia, Rosaria Brescia, Mirko Prato, Luca De Trizio, Ivan Infante , Francesco Bonaccorso và Liberato Manna, ngày 4 tháng 8 năm 2023, Truyền thông Tự nhiên.
DOI: 10.1038/s41467-023-40319-5
