Cách sản xuất khí hydro từ nước biển, nhôm và caffeine
Phương pháp nhanh và bền vững để tạo ra hydro với chi phí cạnh tranh so với sản xuất bằng điện phân hiện nay
Một lộ trình mới, ít phát thải để sản xuất hydro từ nước biển
Nước biển, bã cà phê đã qua sử dụng và lon nhôm bỏ đi có thể sớm trở thành những yếu tố bất ngờ giúp sản xuất hydro sạch. Năm 2024, một nhóm kỹ sư tại Viện Công nghệ Massachusetts (MIT) đã giới thiệu một phương pháp nhanh và bền vững để tạo ra khí hydro với tác động môi trường tối thiểu.
Trong nghiên cứu được công bố trên Cell Reports Sustainability, các nhà nghiên cứu đã thực hiện đánh giá vòng đời (LCA) đầu tiên cho quy trình này. Kết quả cho thấy: sản xuất hydro từ nhôm và nước biển chỉ phát thải 1,45 kg CO₂ cho mỗi kg hydro, thấp hơn nhiều so với mức 11 kg từ phương pháp dựa vào nhiên liệu hóa thạch.
Để hiểu rõ hơn tiềm năng của công nghệ này, chúng ta cần bắt đầu từ nguyên lý cơ bản.
Phản ứng nhôm – nước tạo hydro
Các nghiên cứu trước đây cho thấy nhôm có thể phản ứng với nước để giải phóng hydro và nhiệt, nhưng chỉ khi kim loại này được kích hoạt cơ học. Việc kích hoạt là cần thiết bởi vì đơn giản nhúng một lon nhôm cũ vào nước sẽ không gây ra phản ứng hóa học nào.
Nguyên nhân là do nhôm tự tạo một lớp oxit bảo vệ khi tiếp xúc với oxy, ngăn cản các phản ứng tiếp theo. Khi loại bỏ lớp oxit này, nhôm có thể phản ứng với nước để tạo thành nhôm oxit và khí hydro tinh khiết.
Để làm được điều đó, các nhà nghiên cứu sử dụng quy trình gọi là kích hoạt, trong đó làm suy yếu cấu trúc kim loại bằng hợp kim có điểm nóng chảy thấp như gallium và indium, cho phép nước thâm nhập qua lớp oxit bảo vệ.
Tuy nhiên, việc xử lý nhôm bằng hợp kim kim loại hiếm này tốn kém và khó áp dụng ở quy mô thương mại. Đây chính là điểm đột phá của nhóm MIT. Năm 2024, nghiên cứu sinh Aly Kombargi từ Khoa Cơ khí MIT và các cộng sự đã đưa ý tưởng này ra môi trường nước biển.
Nước biển chứa các ion có khả năng tự nhiên thu hút và phục hồi hợp kim gallium-indium, cho phép tái sử dụng hợp kim này nhiều lần trong các chu kỳ phản ứng.
Hợp chất caffeine giúp tăng tốc và hiệu quả
Để tăng tốc độ sản xuất hydro, rút ngắn thời gian phản ứng xuống dưới 10 phút, nhóm nghiên cứu đã thêm imidazole, một phân tử có trong caffeine. Imidazole tạo ra các lỗ nhỏ trên bề mặt nhôm, giúp phản ứng với nước diễn ra liên tục, đồng thời không làm hỏng lớp hợp kim gallium-indium.
Vậy phương pháp này tạo ra bao nhiêu hydro? Các nghiên cứu khác ước tính rằng chỉ 1 gram viên nhôm đã xử lý có thể tạo ra khoảng 1,3 lít khí hydro trong 5 phút.
Đánh giá tác động môi trường và kinh tế
Sau khi chứng minh được tính khả thi, các nhà nghiên cứu đã phân tích khả năng mở rộng bền vững của phương pháp này. Họ đánh giá toàn bộ vòng đời phát thải, từ khai thác và xử lý nhôm, phản ứng với nước biển cho đến vận chuyển nhiên liệu.
Kết quả cho thấy phương pháp này chỉ thải ra 1,45 kg CO₂ tương đương cho mỗi kg hydro, tương đương với các giải pháp hydro sạch như điện phân.
Về chi phí, sản xuất hydro theo cách này ước tính khoảng 9 USD/kg, tương đương với hydro xanh. Chi phí này có thể tiếp tục giảm, bởi phản ứng này còn tạo ra boehmite, một khoáng chất giá trị được dùng trong ngành bán dẫn, điện tử và sản xuất công nghiệp. Việc thu hồi và bán boehmite có thể giúp bù đắp một phần chi phí sản xuất ban đầu.
Tham khảo:
Xem toàn bộ nghiên cứu Life-cycle assessment and cost analysis of hydrogen production via aluminum-seawater reactions trên tạp chí Cell Reports Sustainability (2025).
