Cải thiện toàn diện quy trình sản xuất hydro từ nước
25/02/2026
Việc sản xuất hydro sạch từ nước thường được so sánh với việc lưu trữ năng lượng tái tạo dưới dạng hóa chất, nhưng việc cải thiện hiệu quả của quy trình đó vẫn là một thách thức khoa học. Các nhà nghiên cứu tại Đại học Tohoku hiện đã phát triển một thiết kế chất xúc tác giúp hình thành hydro trơn tru hơn trong điều kiện kiềm, một bước quan trọng hướng tới sản xuất hydro xanh thực tiễn.
Việc tạo ra hydro trong quá trình điện phân nước kiềm phụ thuộc vào phản ứng tạo hydro (HER). Trong điện phân nước màng trao đổi anion (AEMWE), phản ứng này bao gồm hai bước liên kết chặt chẽ: phân tách các phân tử nước và tạo thành khí hydro. Nếu bất kỳ bước nào chậm lại, hiệu suất tổng thể sẽ bị ảnh hưởng.
Nhiều chất xúc tác hiện có chỉ cải thiện một trong hai bước này. Chỉ một sự tăng hiệu quả một phần cũng có thể gây ảnh hưởng bất lợi đến sản lượng tổng thể. Nó tương tự như một dây chuyền lắp ráp, nơi một công nhân di chuyển nhanh hơn nhưng người tiếp theo không thể theo kịp. Để giải quyết sự mất cân bằng này, nhóm nghiên cứu đã tập trung vào việc phối hợp cả hai bước cùng một lúc.
Các nhà nghiên cứu đã đề xuất một chiến lược điều khiển phụ trợ kết hợp ruthenium (Ru) với vanadium dioxide (VO₂). Bằng cách bao quanh các vị trí hoạt tính của Ru bằng VO₂, chất xúc tác được thiết kế để tối ưu hóa liên tiếp cả bước phân ly nước (bước Volmer) và bước tạo thành hydro (bước Heyrovsky).
Tại giao diện giữa Ru và VO₂, sự hình thành các liên kết π liên hợp V-O-Ru điều chỉnh động học cấu trúc điện tử của các vị trí hoạt tính. Điều này thúc đẩy quá trình phân ly nước nhanh hơn. Đồng thời, quá trình tràn hydro thuận nghịch giúp điều chỉnh sự hấp phụ hydro, đưa chất xúc tác đến gần hơn với các điều kiện phản ứng tối ưu được dự đoán bởi các mô hình vi động học.
Trong điều kiện thử nghiệm giống hệt nhau, chất xúc tác mới cho thấy hoạt tính tạo hydro cao hơn so với các chất xúc tác Ru/C và Pt/C thông thường. Nó đạt được điện thế quá mức 12 mV ở 10 mA cm⁻² và tần số chuyển hóa 12,2 s⁻¹, cho thấy hiệu quả sản xuất hydro cao với tổn thất năng lượng thấp.
Hình minh họa sơ đồ hiệu ứng dẫn động phụ trợ, làm nổi bật vai trò của nó trong việc tăng tốc quá trình HER. ©Hao Li và cộng sự.
Nhóm nghiên cứu cũng đã đánh giá chất xúc tác trong thiết bị AEMWE đang hoạt động. Sử dụng phân tích phân bố thời gian thư giãn (DRT), họ đã xác nhận rằng động học phản ứng được cải thiện quan sát được trong các thử nghiệm trong phòng thí nghiệm đã được chuyển hóa thành hiệu suất ở cấp độ thiết bị.
Tổng hợp và làm sáng tỏ cấu trúc của Ru/VO2-CNFs. ©Hao Li và cộng sự.
"Khái niệm điều khiển phụ trợ này cho phép chúng ta phối hợp nhiều bước phản ứng thay vì tối ưu hóa chúng một cách riêng lẻ," Yizhou Zhang, phó giáo sư tại Viện Nghiên cứu Vật liệu Tiên tiến của Đại học Tohoku cho biết. "Bằng cách thiết kế giao diện giữa Ru và VO₂, chúng ta có thể cải thiện động học phản ứng tổng thể trong quá trình tạo hydro kiềm."
Các thiết bị điện phân hiệu quả và bền hơn có thể giảm lượng điện năng cần thiết để sản xuất hydro và kéo dài tuổi thọ hệ thống. Giảm chi phí hydro xanh có thể hỗ trợ việc sử dụng rộng rãi hơn trong các lĩnh vực như sản xuất thép, sản xuất hóa chất, vận tải biển và lưu trữ năng lượng quy mô lớn. Các nhà nghiên cứu dự định sẽ tiếp tục tinh chỉnh cấu trúc giao diện và khám phá xem liệu chiến lược điều khiển phụ trợ có thể được áp dụng cho các hệ thống xúc tác khác hay không.
Tất cả các dữ liệu thực nghiệm và tính toán quan trọng cũng được tải lên Nền tảng Xúc tác Kỹ thuật số, cơ sở dữ liệu xúc tác lớn nhất cho đến nay được phát triển bởi Phòng thí nghiệm Hao Li.
a) Sự khác biệt về mật độ điện tích giữa Ru/VO2-CNFs và Ru-CNFs, trong đó vùng màu vàng và màu xanh lam lần lượt biểu thị sự tích tụ và suy giảm điện tích. (b) Sơ đồ năng lượng tự do Gibbs cho quá trình HER kiềm với trạng thái chuyển tiếp (TS) tương ứng được hiển thị trong hình nhỏ. (c) Cấu trúc H* tại các vị trí khác nhau trong quá trình khuếch tán hydro. (d) Rào cản năng lượng cho quá trình khuếch tán hydro. (e) PDOS của trạng thái OH-H đối với Ru/VO2-CNFs. (f) PDOS của trạng thái OH+H đối với Ru/VO2-CNFs. (g) Đồ thị vị trí đỉnh giải hấp hydro so với tốc độ quét đối với Ru/VO2-CNFs, Ru-CNFs, Pt/C và Ru/C. (h) Đồ thị vi động học 2D của phản ứng HER theo hàm số của (ΔGH∗, ΔGOH∗), được mô phỏng trong điều kiện kiềm. ©Hao Li và cộng sự.
Thông tin xuất bản:
Tiêu đề: Tăng tốc từng bước quá trình phân ly nước và tràn hydro để tăng cường quá trình tạo hydro tổng thể trong điều kiện kiềm
Tác giả: Tingyu Lu, Jing Li, Caikang Wang, Heng Liu, Songbo Ye, Xue Jia, Linda Zhang, Di Zhang, Dongmei Sun, Yanhui Gu, Qiang Wang, Bo Da, Li Wei, Yizhou Zhang, Hao Li và Yawen Tang
Tạp chí: ACS catalysis
DOI: 10.1021/acscatal.5c08576
