Nhóm SLAC-Stanford lấy hydro trực tiếp từ nước biển. Công việc của họ có thể giúp nỗ lực tạo ra nhiên liệu carbon thấp cho lưới điện, ô tô, tàu thuyền và các cơ sở hạ tầng khác.
Hỗn hợp hydro, oxy, natri và các nguyên tố khác của nước biển khiến nó trở nên quan trọng đối với sự sống trên Trái đất. Nhưng cũng chính chất hóa học phức tạp đó đã gây khó khăn cho việc trích xuất khí hydro để sử dụng năng lượng sạch.
Giờ đây, các nhà nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm Máy gia tốc Quốc gia SLAC của Bộ Năng lượng và Đại học Stanford cùng với các cộng tác viên tại Đại học Oregon và Đại học Manchester Metropolitan đã tìm ra cách tách hydro ra khỏi đại dương bằng cách dẫn nước biển qua hệ thống màng kép và điện. Thiết kế sáng tạo của họ đã chứng tỏ thành công trong việc tạo ra khí hydro mà không tạo ra một lượng lớn sản phẩm phụ có hại. Kết quả nghiên cứu của họ, được công bố hôm nay trên tạp chí Joule, có thể giúp thúc đẩy các nỗ lực sản xuất nhiên liệu carbon thấp.
“Nhiều hệ thống nước thành hydro ngày nay cố gắng sử dụng màng đơn lớp hoặc màng đơn lớp. Nghiên cứu của chúng tôi đã kết hợp hai lớp lại với nhau,” Adam Nielander, một nhà khoa học cộng tác viên của Trung tâm Khoa học Giao diện và Xúc tác SUNCAT, một viện liên kết SLAC-Stanford, cho biết. “Những cấu trúc màng này cho phép chúng tôi kiểm soát cách các ion trong nước biển di chuyển trong thí nghiệm của chúng tôi.”
Khí hydro là nhiên liệu có hàm lượng carbon thấp hiện đang được sử dụng theo nhiều cách, chẳng hạn như để chạy các phương tiện chạy bằng pin nhiên liệu và là một tùy chọn lưu trữ năng lượng trong thời gian dài – một tùy chọn phù hợp để lưu trữ năng lượng trong nhiều tuần, nhiều tháng hoặc lâu hơn – cho lưới điện .
Nhiều nỗ lực để tạo ra khí hydro bắt đầu bằng nước sạch hoặc nước khử muối, nhưng những phương pháp đó có thể tốn kém và tốn nhiều năng lượng. Nước đã qua xử lý dễ xử lý hơn vì nó có ít thứ hơn – các nguyên tố hóa học hoặc phân tử – trôi nổi xung quanh. Tuy nhiên, các nhà nghiên cứu cho biết, việc lọc nước rất tốn kém, đòi hỏi năng lượng và tăng thêm độ phức tạp cho các thiết bị. Họ cho biết một lựa chọn khác, nước ngọt tự nhiên, cũng chứa một số tạp chất gây khó khăn cho công nghệ hiện đại, ngoài việc là nguồn tài nguyên hạn chế hơn trên hành tinh.
Để làm việc với nước biển, nhóm đã triển khai một hệ thống màng lưỡng cực hoặc hai lớp và thử nghiệm nó bằng cách sử dụng điện phân, một phương pháp sử dụng điện để điều khiển các ion hoặc các nguyên tố tích điện để thực hiện phản ứng mong muốn. Họ bắt đầu thiết kế của mình bằng cách kiểm soát nguyên tố có hại nhất đối với hệ thống nước biển – clorua – Joseph Perryman, một nhà nghiên cứu sau tiến sĩ của SLAC và Stanford cho biết.
Một đại diện của hệ thống màng lưỡng cực của nhóm chuyển đổi nước biển thành khí hydro. (Nina Fujikawa/Phòng thí nghiệm Máy gia tốc Quốc gia SLAC)
Perryman cho biết: “Có nhiều loài phản ứng trong nước biển có thể cản trở phản ứng nước thành hydro và natri clorua làm cho nước biển mặn là một trong những thủ phạm chính. “Đặc biệt, clorua đi đến cực dương và bị oxy hóa sẽ làm giảm tuổi thọ của hệ thống điện phân và thực sự có thể trở nên không an toàn do tính chất độc hại của các sản phẩm oxy hóa bao gồm phân tử clo và thuốc tẩy.”
Màng lưỡng cực trong thí nghiệm cho phép tiếp cận các điều kiện cần thiết để tạo ra khí hydro và giảm thiểu clorua đi đến trung tâm phản ứng.
Perryman nói: “Về cơ bản, chúng tôi đang tăng gấp đôi số cách để ngăn chặn phản ứng clorua này.
Một ngôi nhà cho hydro
Một hệ thống màng lý tưởng thực hiện ba chức năng chính: tách khí hydro và oxy khỏi nước biển; giúp chỉ di chuyển các ion hydro và hydroxit hữu ích trong khi hạn chế các ion nước biển khác; và giúp ngăn ngừa các phản ứng không mong muốn. Nắm bắt được cả ba chức năng này cùng nhau là một việc khó và nghiên cứu của nhóm hướng tới việc khám phá các hệ thống có thể kết hợp hiệu quả cả ba nhu cầu này.
Cụ thể trong thí nghiệm của họ, các proton, là các ion hydro dương, đi qua một trong các lớp màng đến nơi mà chúng có thể được thu thập và biến thành khí hydro bằng cách tương tác với một điện cực hoặc cực âm tích điện âm. Màng thứ hai trong hệ thống chỉ cho phép các ion âm, chẳng hạn như clorua, đi qua.
Daniela Marin, một sinh viên tốt nghiệp Stanford cho biết, như một điểm dừng bổ sung, một lớp màng chứa các nhóm tích điện âm được cố định vào màng, khiến các ion tích điện âm khác, như clorua, khó di chuyển đến những nơi mà chúng không nên đến. sinh viên ngành kỹ thuật hóa học và đồng tác giả. Màng tích điện âm tỏ ra có hiệu quả cao trong việc ngăn chặn gần như tất cả các ion clorua trong các thí nghiệm của nhóm và hệ thống của họ hoạt động mà không tạo ra các sản phẩm phụ độc hại như thuốc tẩy và clo.
Các nhà nghiên cứu cho biết, cùng với việc thiết kế một hệ thống màng nước biển thành hydro, nghiên cứu cũng cung cấp hiểu biết chung tốt hơn về cách các ion nước biển di chuyển qua màng. Kiến thức này có thể giúp các nhà khoa học thiết kế màng mạnh hơn cho các ứng dụng khác, chẳng hạn như sản xuất khí oxy.
Marin cho biết: “Cũng có một số người quan tâm đến việc sử dụng điện phân để tạo ra oxy. “Hiểu biết về dòng ion và chuyển đổi trong hệ thống màng lưỡng cực của chúng tôi cũng rất quan trọng đối với nỗ lực này. Cùng với việc tạo ra hydro trong thí nghiệm của chúng tôi, chúng tôi cũng chỉ ra cách sử dụng màng lưỡng cực để tạo ra khí oxy.”
Các nhà nghiên cứu thu thập nước biển ở Half Moon Bay, California, vào tháng 1 năm 2023 cho một thí nghiệm biến chất lỏng thành nhiên liệu hydro. Từ trái sang: Joseph Perryman, nhà nghiên cứu sau tiến sĩ của SLAC và Stanford; Daniela Marin, một sinh viên tốt nghiệp Stanford về kỹ thuật hóa học và đồng tác giả; Adam Nielander, một nhà khoa học nhân viên liên kết với SUNCAT, một viện chung SLAC-Stanford; và Charline Rémy, một học giả thỉnh giảng tại SUNCAT. (Phòng thí nghiệm máy gia tốc quốc gia Adam Nielander/SLAC)
Tiếp theo, nhóm lên kế hoạch cải thiện các điện cực và màng của chúng bằng cách chế tạo chúng bằng các vật liệu phong phú và dễ khai thác hơn. Nhóm nghiên cứu cho biết cải tiến thiết kế này có thể làm cho hệ thống điện phân dễ dàng mở rộng quy mô đến kích thước cần thiết để tạo ra hydro cho các hoạt động sử dụng nhiều năng lượng, như lĩnh vực giao thông vận tải.
Các nhà nghiên cứu cũng hy vọng sẽ đưa các tế bào điện phân của họ đến Nguồn sáng bức xạ synchrotron Stanford (SSRL) của SLAC, nơi họ có thể nghiên cứu cấu trúc nguyên tử của chất xúc tác và màng bằng cách sử dụng tia X cực mạnh của cơ sở.
Thomas Jaramillo, giáo sư tại SLAC và Stanford và giám đốc của SUNCAT cho biết: “Tương lai tươi sáng cho các công nghệ hydro xanh. “Những hiểu biết cơ bản mà chúng tôi thu được là chìa khóa để thông báo những đổi mới trong tương lai nhằm cải thiện hiệu suất, độ bền và khả năng mở rộng của công nghệ này.”
Dự án này được hỗ trợ bởi Văn phòng Nghiên cứu Hải quân Hoa Kỳ; Máy gia tốc bền vững của Trường Doerr Stanford; Văn phòng Khoa học Năng lượng Cơ bản, Khoa học Hóa học, Khoa học Địa chất và Khoa học Sinh học của DOE thông qua Trung tâm Khoa học Giao diện và Xúc tác SUNCAT, một viện liên kết giữa SLAC-Stanford; và Văn phòng Công nghệ tế bào nhiên liệu năng lượng tái tạo và hiệu quả năng lượng của DOE.
Trích dẫn: DH Marin, JT Perryman và cộng sự, Joule , ngày 11 tháng 4 năm 2023 ( https://doi.org/10.1016/j.joule.2023.03.005 )
Đối với các câu hỏi hoặc nhận xét, hãy liên hệ với Văn phòng Truyền thông của SLAC tại Communications@slac.stanford.edu .
SLAC là một phòng thí nghiệm đa chương trình sôi động khám phá cách vũ trụ hoạt động ở quy mô lớn nhất, nhỏ nhất và nhanh nhất, đồng thời phát minh ra các công cụ mạnh mẽ được các nhà khoa học trên toàn cầu sử dụng. Với các nghiên cứu bao gồm vật lý hạt, vật lý thiên văn và vũ trụ học, vật liệu, hóa học, khoa học sinh học và năng lượng cũng như điện toán khoa học, chúng tôi giúp giải quyết các vấn đề trong thế giới thực và thúc đẩy lợi ích của quốc gia.
SLAC được điều hành bởi Đại học Stanford cho Văn phòng Khoa học của Bộ Năng lượng Hoa Kỳ . Văn phòng Khoa học là đơn vị hỗ trợ lớn nhất cho nghiên cứu cơ bản trong khoa học vật lý ở Hoa Kỳ và đang nỗ lực giải quyết một số thách thức cấp bách nhất của thời đại chúng ta.
