Các nhà nghiên cứu Fudan phát triển chất xúc tác mới cho hydro xanh tiết kiệm chi phí
15 tháng 2 năm 2025
Các nhà nghiên cứu Fudan phát triển chất xúc tác mới cho hydro xanh tiết kiệm chi phí
Một nhóm nghiên cứu hợp tác từ Đại học Fudan đã đạt được bước đột phá về hiệu quả sản xuất hydro xanh. Những phát hiện của nhóm, được công bố trên tạp chí Science vào ngày 14 tháng 2, nêu chi tiết về quá trình phát triển chất xúc tác nhúng mới giúp tăng cường đáng kể độ ổn định và hiệu suất của công nghệ Máy điện phân nước màng trao đổi proton (PEMWE), nền tảng để tạo ra hydro xanh.
Nhu cầu ngày càng tăng đối với các giải pháp năng lượng bền vững đã đưa hydro xanh trở thành chất mang năng lượng đầy hứa hẹn. Công nghệ máy điện phân nước, với khả năng phân tách nước thành hydro và oxy hiệu quả, đóng vai trò quan trọng trong lĩnh vực này.
Tuy nhiên, việc công nghệ này phụ thuộc vào chất xúc tác gốc iridi đắt tiền và khan hiếm cho phản ứng giải phóng oxy (OER), một bước quan trọng trong quá trình điện phân, đã cản trở việc áp dụng rộng rãi. Chi phí cao và tính khả dụng hạn chế của iridi, cùng với hiệu suất dưới mức tối ưu của các chất xúc tác gốc iridi hiện có, đã đặt ra những thách thức đáng kể đối với việc triển khai quy mô lớn các hệ thống công nghệ điện phân nước.
Để giải quyết những hạn chế này, nhóm Fudan do Zhang Bo, Xu Yifei, Duan Sai và Xu Xin đứng đầu đã đưa ra một thiết kế chất xúc tác nhúng sáng tạo giúp tăng cường hiệu quả OER đồng thời giảm thiểu việc sử dụng iridi.
Nhóm đã sử dụng một phương pháp tổng hợp mới mà họ gọi là "nhúng do chín", lấy cảm hứng từ cấu trúc của răng được nhúng trong nướu. Phương pháp này tạo điều kiện nhúng các hạt nano oxit iridi, vật liệu xúc tác chính, vào trong chất hỗ trợ oxit xeri, tương tự như răng neo trong nướu.
Các kỹ thuật đặc tính tiên tiến đóng vai trò quan trọng trong việc hiểu và tối ưu hóa quá trình phát triển của chất xúc tác. Bằng cách sử dụng kính hiển vi điện tử truyền qua lạnh (CryoTEM) và chụp cắt lớp điện tử lạnh (CryoET), các nhà nghiên cứu có thể theo dõi trực quan sự phát triển và nhúng của các hạt nano oxit iridi trong chất hỗ trợ oxit xeri, nắm bắt được động lực học thời gian thực của quá trình tổng hợp.
Những hiểu biết thu được từ các kỹ thuật chụp ảnh này, kết hợp với các tính toán lý thuyết sử dụng mô phỏng Monte Carlo động học toàn nguyên tử (KMC), đã tiết lộ hiệu quả của các phương pháp xử lý siêu âm và gia nhiệt trong việc đẩy nhanh tốc độ phát triển của vật liệu hỗ trợ.
Việc kiểm soát chính xác cả tốc độ phát triển của chất hỗ trợ và chất xúc tác này đã chứng minh được tầm quan trọng trong việc nhúng tối ưu các hạt nano oxit iridi, đảm bảo tính ổn định của chúng và ngăn ngừa sự tách rời trong quá trình điện phân.
Thiết kế tỉ mỉ đảm bảo nhúng tối ưu oxit iridi trong chất hỗ trợ oxit xeri và tạo ra chất xúc tác có hiệu suất và độ ổn định cao. Thử nghiệm nghiêm ngặt trong điều kiện vận hành công nghệ điện phân nước trong thời gian kéo dài 6.000 giờ đã chứng minh được độ bền đặc biệt của chất xúc tác. Nó thể hiện sự suy giảm điện áp tối thiểu và duy trì hoạt động cao, vượt qua các tiêu chuẩn hiệu suất quốc tế.
Bình luận về tầm quan trọng của bước đột phá này, Giáo sư Zhang cho biết,
Những phát hiện của chúng tôi đánh dấu một bước tiến đáng kể hướng tới sản xuất hydro xanh khả thi về mặt thương mại.
“Thiết kế chất xúc tác này không chỉ giải quyết những hạn chế của chất xúc tác hiện có mà còn mở đường cho việc phát triển các hệ thống công nghệ điện phân nước hiệu quả và tiết kiệm chi phí hơn”.
Nghiên cứu của nhóm, được hỗ trợ bởi Quỹ Khoa học Tự nhiên Quốc gia Trung Quốc và các sáng kiến tài trợ quan trọng khác, hứa hẹn sẽ mang lại tương lai tươi sáng cho sản xuất hydro xanh.
Các kế hoạch của họ bao gồm tinh chỉnh nghiên cứu chất xúc tác, khám phá các vật liệu tiết kiệm chi phí khác và hợp tác với các đối tác công nghiệp để đẩy nhanh quá trình thương mại hóa công nghệ và đóng góp vào mục tiêu trung hòa carbon của Trung Quốc.
