Các nhà nghiên cứu đang tiến gần hơn đến việc tạo ra hydro xanh thông qua phương pháp điện phân nước.
Điện phân nước là quy trình lý tưởng để sản xuất hydro, có thể đóng vai trò quan trọng trong quá trình chuyển đổi năng lượng toàn cầu ngày càng phụ thuộc vào điện tái tạo nhưng quy trình sản xuất hiện tại lại thải ra rất nhiều carbon.
Là một nguồn năng lượng, hydro phần lớn chưa được khai thác do giá thành đắt đỏ và thiếu hiểu biết về các chất xúc tác được sử dụng để sản xuất hydro. Một nghiên cứu mới của các nhà nghiên cứu tại Đại học Northwestern về các chất xúc tác được nghiên cứu đầy hứa hẹn nhất, oxit gốc iridi, đã cho phép thiết kế một chất xúc tác mới duy trì hoạt động cao hơn, độ ổn định lâu hơn và sử dụng iridi hiệu quả hơn, có thể giúp sản xuất hydro xanh khả thi.
Bài báo được công bố trên tạp chí Nature Catalysis đã kết hợp các kỹ thuật phân tích đặc tính dựa trên tia X và electron bổ sung để lần đầu tiên xác định bằng chứng thực nghiệm về cách bề mặt oxit iridi thay đổi trong quá trình điện phân nước.
Linsey Seitz, một nhà điện hóa học ở Tây Bắc và là tác giả chính của bài báo, cho biết:
Bây giờ chúng ta cuối cùng đã biết bản chất của các vị trí hoạt động này trên bề mặt của các vật liệu này.
“Chúng tôi có thể thiết kế các chất xúc tác trong tương lai chỉ có ba cấu trúc mà chúng tôi đã xác định để đạt được hiệu suất tối ưu và sử dụng hiệu quả hơn iridi quý giá,”
Seitz là phó giáo sư chuyên ngành kỹ thuật hóa học và sinh học tại Trường Kỹ thuật McCormick của Đại học Northwestern và là chuyên gia về năng lượng tái tạo.
“Iridi quý” này là một sản phẩm phụ hiếm của quá trình khai thác bạch kim và là chất xúc tác duy nhất hiện có thể sử dụng để sản xuất hydro xanh do điều kiện vận hành khắc nghiệt của phản ứng.
Điện phân nước - quá trình phá vỡ các phân tử nước bằng điện - thông qua công nghệ gọi là điện phân màng trao đổi proton (PEM), rất hứa hẹn vì nó có thể chạy hoàn toàn bằng điện tái tạo, nhưng phản ứng xảy ra trong môi trường có tính axit làm hạn chế các loại chất xúc tác có thể sử dụng.
Các điều kiện phản ứng cũng làm thay đổi đáng kể cấu trúc của vật liệu xúc tác trên bề mặt của chúng. Các cấu trúc bề mặt xúc tác được tổ chức lại này rất khó xác định vì chúng thay đổi nhanh chóng trong quá trình điện phân nước và có thể bị hư hỏng thông qua các phương pháp chụp ảnh.
Các nghiên cứu trước đây đã dự đoán bằng máy tính các loại kết nối có thể có trên bề mặt iridi oxit nhưng chưa bao giờ có thể cung cấp bằng chứng thực nghiệm trực tiếp.
Trong nghiên cứu hiện tại, ba loại kết nối trước đây chỉ được mô tả là "vô định hình" (không có cấu trúc có thể phát hiện được) sau phản ứng xúc tác đã được phát hiện có cấu trúc paracrystalline riêng biệt và được phát hiện là chịu trách nhiệm lớn nhất cho tính ổn định và hoạt động của chất xúc tác.
Quy trình làm việc của nhóm Seitz đã giảm đáng kể thiệt hại do các kỹ thuật này gây ra để có thể phân tích chính xác hơn các cấu trúc trong vật liệu phức tạp. Đầu tiên, các nhà nghiên cứu đã sử dụng kính hiển vi điện tử và tán xạ để xác định cấu trúc bề mặt chất xúc tác, cả trước và sau quá trình điện phân nước. Sau đó, họ xác nhận kết quả bằng phương pháp tán xạ và quang phổ tia X có độ phân giải cao.
Linsey Seitz, một nhà điện hóa học ở Tây Bắc và là tác giả chính của bài báo, cho biết:
“Chúng tôi rất vui mừng khi mở rộng các kỹ thuật đặc trưng này để phân tích chặt chẽ các vật liệu xúc tác hoạt động phức tạp khác mà cấu trúc hoạt động có liên quan cho đến nay vẫn chưa thể xác định được bằng thực nghiệm”,
“Những hiểu biết cơ bản này sẽ thúc đẩy việc thiết kế các chất xúc tác hiệu suất cao có thể sử dụng tối ưu các kim loại quý và hàm lượng khoáng chất quan trọng.”
Sử dụng hiểu biết mới về iridi, nhóm nghiên cứu đã có thể thiết kế một chất xúc tác chỉ sử dụng cấu trúc paracrystalline có hiệu quả cao hơn từ ba đến bốn lần so với các chất xúc tác gốc iridi khác trong lần đo hoạt động đầu tiên.
Seitz cho biết: “Những phát triển của chúng tôi sẽ giúp chúng ta tiến gần hơn đến tương lai năng lượng bền vững, nơi hydro xanh thông qua quá trình điện phân nước trở thành hiện thực và việc triển khai rộng rãi các công nghệ mới nổi này khả thi hơn về mặt công nghệ và kinh tế”.
Các nhà nghiên cứu đang tiến gần hơn đến việc tạo ra hydro xanh thông qua phương pháp điện phân nước.
Mời các đối tác xem hoạt động của Công ty TNHH Pacific Group.
FanPage: https://www.facebook.com/Pacific-Group
YouTube: https://www.youtube.com/@PacificGroupCoLt
