Cầu ruthenium bọc carbon mở ra hướng sản xuất hydrogen xanh kết hợp xử lý nước thải
Ngày 23/12/2025 – Hydrogen được kỳ vọng sẽ đóng vai trò trung tâm trong các hệ thống năng lượng trung hòa carbon trong tương lai. Tuy nhiên, công nghệ điện phân nước truyền thống hiện vẫn bị hạn chế bởi phản ứng tạo oxy (OER) diễn ra chậm và tiêu tốn nhiều năng lượng.
Một hướng tiếp cận mới là thay thế phản ứng tạo oxy bằng phản ứng oxy hóa hydrazine, qua đó giúp giảm đáng kể điện áp cần thiết để sản xuất hydrogen, đồng thời chuyển hóa hydrazine – một chất ô nhiễm công nghiệp độc hại – thành khí nitrogen vô hại. Thách thức lớn của phương pháp này nằm ở việc phát triển xúc tác hai chức năng có thể hoạt động hiệu quả và bền vững cho cả phản ứng tạo hydrogen và oxy hóa hydrazine.
Đột phá xúc tác Ru@C từ Đại học Quốc gia Gyeongsang
Nhóm nghiên cứu đến từ Đại học Quốc gia Gyeongsang (Hàn Quốc) vừa công bố một loại xúc tác ruthenium bọc carbon (Ru@C) được chế tạo bằng phương pháp laser xung trong môi trường lỏng. Công trình đã được công bố trên tạp chí eScience (DOI: 10.1016/j.esci.2025.100408) vào tháng 9/2025.
Xúc tác tối ưu Ru@C-200 cho thấy hiệu suất vượt trội trong hệ thống sản xuất hydrogen có hỗ trợ hydrazine, với:
-
Quá thế chỉ 48 mV cho phản ứng tạo hydrogen
-
Quá thế chỉ 8 mV cho phản ứng oxy hóa hydrazine tại mật độ dòng 10 mA/cm²
Những giá trị này thấp hơn đáng kể so với các xúc tác điện hóa thông thường.
Cấu trúc nano được kiểm soát chính xác
Vật liệu Ru@C được tổng hợp dưới dạng các hạt nano ruthenium hình cầu, được bao bọc bởi lớp vỏ carbon graphitic đồng nhất. Trong số các mẫu thử nghiệm, Ru@C-200 đạt sự cân bằng tối ưu giữa:
-
Độ dẫn điện
-
Độ bền cấu trúc
-
Liên kết điện tử mạnh giữa kim loại và carbon
Các kỹ thuật phân tích tiên tiến như TEM, XRD, Raman, XPS và EXAFS xác nhận lõi Ru kim loại có cấu trúc lập phương tâm diện (fcc), trong khi các phép đo Raman tại chỗ và XANES cho thấy:
-
Các vị trí Ru kim loại xúc tác phản ứng tạo hydrogen
-
Các loài RuOOH hình thành trên bề mặt xúc tác phản ứng oxy hóa hydrazine
Kết hợp sản xuất hydrogen và xử lý nước thải
Khi được thử nghiệm trong thiết bị điện phân phân tách hydrazine, cặp xúc tác Ru@C-200‖Ru@C-200 chỉ cần điện áp 0,11 V để đạt 10 mA/cm² và duy trì hoạt động ổn định hơn 100 giờ liên tục.
Đặc biệt, nhóm nghiên cứu còn tích hợp xúc tác này vào pin kẽm–hydrazine (Zn–hydrazine) có khả năng tự cấp điện cho quá trình sản xuất hydrogen, đạt:
-
Hiệu suất năng lượng 90%
-
Độ ổn định trên 600 chu kỳ sạc–xả
Ý nghĩa đối với năng lượng sạch và môi trường
Theo nhóm nghiên cứu, xúc tác Ru@C-200 nổi bật nhờ sự kết hợp hiếm có giữa:
-
Mức tiêu thụ năng lượng thấp
-
Độ bền dài hạn
-
Khả năng xúc tác hai chức năng
Liên kết điện tử mạnh giữa lõi ruthenium và vỏ carbon đóng vai trò then chốt trong việc tăng tốc truyền điện tích và kích hoạt hiệu quả các trung gian phản ứng của hydrogen và hydrazine.
Cách tiếp cận này cho thấy tiềm năng kết hợp sản xuất nhiên liệu sạch với xử lý chất thải độc hại, đặc biệt phù hợp với các ngành công nghiệp có nước thải chứa hydrazine. Việc tích hợp thành công với pin Zn–hydrazine mở ra mô hình tự cấp năng lượng, nơi sản xuất hydrogen, xử lý nước thải và lưu trữ năng lượng diễn ra đồng thời.
