Sơ đồ này cho thấy chất xúc tác bao gồm một vài lớp oxit iridi (IrO x ) trên chất nền làm từ titan nitrit (TiN) có thể tạo ra oxy (O 2 ), ion hydro (H + ) và electron (e – ) một cách hiệu quả như thế nào từ các phân tử nước (H 2 O) trong chất điện phân có tính axit. “Phản ứng tạo oxy” này là phản ứng khó khăn hơn trong số hai phản ứng cần thiết để tách nước tạo ra khí hydro (H 2 ). Nhà cung cấp hình ảnh: Tianyou Mou/Phòng thí nghiệm quốc gia Brookhaven
Một cuộc trình diễn thành công có thể nâng cao khả năng sản xuất hydro từ nước.
Hydro (H 2 ) có tiềm năng lớn làm nhiên liệu để giảm khí nhà kính, đặc biệt khi được sản xuất bằng cách sử dụng năng lượng tái tạo để phân tách các phân tử nước (H2O). Tuy nhiên, bất chấp sự đơn giản rõ ràng của việc phân tách nước thành hydro và oxy, cơ chế hóa học cơ bản lại khá phức tạp.
Hai phản ứng điện hóa đồng thời riêng biệt đều cần chất xúc tác, “người tạo ra thỏa thuận” hóa học giúp phá vỡ và tái tạo các liên kết hóa học. Giờ đây, các nhà khoa học tại Phòng thí nghiệm quốc gia Brookhaven của Bộ Năng lượng Hoa Kỳ (DOE) và Đại học Columbia cho biết họ đã phát triển một chất xúc tác hiệu quả mới cho phần khó khăn hơn: phản ứng tạo ra oxy.
Như được mô tả trong một bài báo vừa đăng trên Tạp chí của Hiệp hội Hóa học Hoa Kỳ , chất xúc tác được thiết kế “từ dưới lên” dựa trên các tính toán lý thuyết nhằm giảm thiểu lượng iridium, một kim loại đắt tiền được sử dụng làm vật liệu xúc tác, và tối đa hóa lượng iridium. độ ổn định của xúc tác trong điều kiện axit. Khi nhóm nghiên cứu tạo ra các mô hình chất xúc tác và thử nghiệm chúng trong phòng thí nghiệm, kết quả đã xác thực các dự đoán. Sau đó, các nhà khoa học đã tạo ra dạng bột của chất xúc tác, giống như chất xúc tác được sử dụng trong các ứng dụng công nghiệp, và cho thấy nó có thể sản xuất hydro một cách hiệu quả trong máy điện phân tách nước.
Jingguang Chen, kỹ sư hóa học tại Đại học Columbia, người được bổ nhiệm chung vào Khoa Hóa học tại Brookhaven, cho biết: “Trong thử nghiệm thực tế này, chất xúc tác của chúng tôi tốt hơn khoảng bốn lần so với chất xúc tác iridium hiện đại có bán trên thị trường”. Lab, người đứng đầu cuộc nghiên cứu. Nói cách khác, chất xúc tác mới cần ít iridium hơn bốn lần để sản xuất hydro với tốc độ tương đương với loại thương mại – hoặc tạo ra hydro nhanh hơn bốn lần với cùng một lượng iridium.
Nhà hóa học lý thuyết Ping Liu của Phòng thí nghiệm Brookhaven, người đứng đầu các tính toán củng cố thiết kế của chất xúc tác, cho biết: “Nghiên cứu này cho thấy cách bạn có thể đi từ hiểu biết dựa trên lý thuyết về những gì đang xảy ra ở cấp độ nguyên tử đến thiết kế chất xúc tác để sử dụng thực tế. Công việc của chúng tôi giúp chúng tôi hiểu rõ hơn về cách thức hoạt động của chất xúc tác này và đưa chúng tôi đến gần hơn với ứng dụng trong thế giới thực.”
Thách thức còn lại là mở rộng quy mô sản xuất.
Chen cho biết: “Chúng tôi chỉ sản xuất miligam chất xúc tác mỗi mẻ. “Nếu bạn muốn tạo ra megaton hydro xanh, bạn sẽ cần hàng tấn hoặc hàng tấn chất xúc tác. Chúng tôi chưa thể thực hiện điều này ở quy mô lớn như vậy.”
Giảm iridium
Iridium là chất xúc tác được lựa chọn cho phản ứng tạo ra oxy, diễn ra ở cực dương của máy điện phân. Nó cung cấp các vị trí hoạt động tích điện giúp tách các ion hydro (H + ) liên kết chặt chẽ với oxy (O). Ngoài việc giải phóng các ion H + - góp phần tạo ra điều kiện phản ứng có tính axit mạnh - phản ứng còn tạo ra khí oxy (O 2 ) và các electron. Những electron đó cần thiết cho phản ứng “tiến hóa hydro” thứ hai, ít thách thức hơn: sự kết hợp của các ion hydro để tạo thành khí hydro ở cực âm của máy điện phân.
Chen cho biết: “Iridium hiện là một trong những nguyên tố ổn định duy nhất cho phản ứng tạo oxy trong axit. Ông lưu ý rằng đó là điều “không may”, bởi vì “iridium thậm chí còn hiếm hơn và đắt hơn bạch kim”.
Do đó, có động lực để giảm lượng iridium.
Chen cho biết: “Trong các chất xúc tác công nghiệp làm từ các hạt có kích thước nano, chỉ có các nguyên tử trên bề mặt mới tham gia phản ứng. “Điều đó có nghĩa là phần lớn iridium ở bên trong hạt bị lãng phí.”
Nhóm nghiên cứu lý giải rằng có lẽ thay vì sử dụng một hạt hoàn toàn là iridium, chất xúc tác có thể được tạo ra từ một vật liệu rẻ tiền hơn với chỉ iridium trên bề mặt.
Với sự tài trợ từ sáng kiến của DOE nhằm thúc đẩy các công nghệ năng lượng sạch, họ đã khám phá việc sử dụng các nguyên tố có nhiều trên trái đất như titan. Họ phát hiện ra rằng việc kết hợp titan với nitơ mang lại đủ độ ổn định để những “titan nitrit” này tồn tại trong điều kiện phản ứng axit. Có lẽ titan nitrit có thể đóng vai trò là lõi của các hạt xúc tác được phủ iridium.
Nhưng nên phủ bao nhiêu iridium lên trên? Đây là nơi các tính toán lý thuyết xuất hiện.
Tính toán cấu trúc lý tưởng
Liu cho biết: “Chúng tôi đã sử dụng các tính toán 'lý thuyết chức năng mật độ' để mô hình hóa các lớp phủ iridium khác nhau trên titan nitride sẽ ảnh hưởng như thế nào đến độ ổn định và hoạt động của chất xúc tác trong điều kiện phản ứng tạo ra oxy có tính axit”. Cô và nhóm của mình đã sử dụng các tài nguyên điện toán tại Trung tâm Vật liệu nano chức năng (CFN) của Phòng thí nghiệm Brookhaven và tại Trung tâm tính toán khoa học nghiên cứu năng lượng quốc gia (NERSC) tại Phòng thí nghiệm quốc gia Lawrence Berkeley của DOE để chạy mô phỏng.
Các tính toán dự đoán rằng một lớp iridium sẽ không đủ để thúc đẩy phản ứng tạo ra oxy nhưng hai hoặc ba lớp sẽ cải thiện cả hiệu suất và độ ổn định xúc tác.
Liu nói: “Đây là những loại thử nghiệm sàng lọc trước. “Sau đó, chúng tôi chuyển những kết quả sàng lọc này cho nhóm thử nghiệm để tạo ra chất xúc tác thực sự và đánh giá hoạt tính xúc tác của chúng”.
Xác thực các dự đoán
Đầu tiên, nhóm nghiên cứu tạo ra các màng mỏng trong đó họ có thể tạo ra các lớp được kiểm soát cẩn thận gần giống với các bề mặt được sử dụng trong tính toán mô hình lý thuyết. Họ cũng tạo ra các mẫu bột bao gồm các hạt nano nhỏ, dạng chất xúc tác sẽ sử dụng trong các ứng dụng công nghiệp. Sau đó, họ nghiên cứu các màng mỏng – bao gồm các bề mặt tiếp xúc giữa các lớp – và các hạt nano bằng nhiều kỹ thuật khác nhau.
Chúng bao gồm kính hiển vi điện tử truyền qua tại CFN và nghiên cứu quang phổ tia X tại chùm tia Hấp thụ và Tán xạ tia X nhanh (QAS) của Nguồn sáng Synchrotron Quốc gia II (NSLS-II), một nguồn tia X sáng để giải mã các mẫu' tính chất hóa học và vật lý.
Chen cho biết: “Giả thuyết của chúng tôi là nếu iridium liên kết với titan nitride thì liên kết này sẽ ổn định iridium và cải thiện phản ứng”.
Các nghiên cứu đặc tính đã đưa ra những dự đoán.
Chen cho biết: “Các nghiên cứu về synchrotron đã tiết lộ trạng thái oxy hóa và môi trường phối hợp cục bộ của các nguyên tử iridium và titan trong điều kiện phản ứng”. “Họ xác nhận rằng iridium và titan đang tương tác mạnh mẽ.”
Ông cho biết thêm: “Việc lập bản đồ các thành phần của hạt nano tại CFN đã xác nhận kích thước và thành phần hạt, bao gồm cả sự hiện diện của oxit iridium trên bề mặt trên các chất hỗ trợ titan nitride”.
Liu nhấn mạnh rằng các nghiên cứu mô tả đặc tính đã cung cấp thông tin cho sự hiểu biết của các nhà khoa học về chất xúc tác.
Cô cho biết: “Chúng tôi nhận thấy rằng sự tương tác giữa iridium và titan không chỉ hữu ích cho độ ổn định của chất xúc tác mà còn giúp tinh chỉnh hoạt động của nó”. “Các điện tích làm thay đổi tính chất hóa học theo hướng cải thiện phản ứng.”
Cụ thể, các điện tích được truyền từ titan sang bề mặt iridium làm thay đổi cấu trúc điện tử của các vị trí hoạt động iridium để tối ưu hóa sự liên kết của các chất trung gian phản ứng, cô giải thích.
Liu lưu ý: “Việc chuyển từ một đến ba lớp iridium, bạn sẽ tăng đáng kể sự truyền điện tích từ nitrit lên lớp iridium trên cùng”. Nhưng sự khác biệt giữa hai và ba lớp không lớn lắm. Hai lớp có thể đủ để mang lại độ ổn định, hoạt động cao và chi phí thấp.
Để làm cho chất xúc tác này sẵn sàng sử dụng trong thực tế, các nhà khoa học chỉ ra rằng, ngoài việc giải quyết thách thức mở rộng quy mô sản xuất, cũng có thể có những cải tiến để tối ưu hóa tính nhất quán của bột.
Chen cho biết: “Khi chúng tôi tạo ra các màng mỏng, chúng tôi có thể kiểm soát các lớp, nhưng với quá trình tổng hợp bột, chúng tôi không có kiểu kiểm soát đó”. “Các hạt bột của chúng tôi không có lớp vỏ iridium liên tục bao quanh chúng. Nhưng nghiên cứu này cung cấp những hướng dẫn mà các nhà hóa học công nghiệp có thể sử dụng để tạo ra cấu trúc lõi-vỏ thực sự với một lớp iridium mỏng đồng đều,” ông nói.
Những chất xúc tác như vậy có thể giúp giảm chi phí tách nước và đưa các nhà khoa học đến gần hơn với việc sản xuất số lượng lớn hydro xanh.
Tham khảo: “Dự đoán lý thuyết và xác minh thử nghiệm IrOx được hỗ trợ trên Titanium Nitride cho phản ứng tiến hóa oxy có tính axit” của Xue Han, Tianyou Mou, Arephin Islam, Sinwoo Kang, Qiaowan Chang, Zhenhua Xie, Xueru Zhao, Kotaro Sasaki, José A. Rodriguez, Ping Liu và Jingguang G. Chen, ngày 10 tháng 6 năm 2024, Tạp chí của Hiệp hội Hóa học Hoa Kỳ .
Mời đối tác xem hoạt động của Công ty TNHH Pacific Group.
FanPage: https://www.facebook.com/Pacific-Group
YouTube: https://www.youtube.com/@PacificGroupCoLt
