Chất xúc tác điện bền, rẻ tiền tạo ra hydro và oxy sạch từ nước
bởi Nhà xuất bản Đại học Thanh Hoa
Magadiite đất sét tự nhiên chứa silicon (Si) được nung trong bình kín trong dung dịch gốc nước chứa sắt clorua (FeCl3) và niken clorua (NiCl2) để tạo ra silicat kim loại được tạo thành từ niken (Ni), sắt (Fe) và Sĩ. Sau đó, silicat kim loại được khử bằng cách thêm các electron vào các nguyên tử silicat kim loại cùng với magie, muối và nhiệt để tạo ra cấu trúc silicide liên kim loại (silica sắt-niken) có tổ chức hơn. Biểu đồ minh họa điện áp thấp hơn cần thiết cho chất điện phân hợp kim sắt-niken silicide (FeNiSi) để tạo ra khí hydro và oxy so với hợp kim NiSi và FeSi. Nguồn: Năng lượng nghiên cứu Nano, Nhà xuất bản Đại học Thanh Hoa
Một chất xúc tác điện mới làm từ niken (Ni), sắt (Fe) và silicon (Si) giúp giảm lượng năng lượng cần thiết để tổng hợp H2 từ nước đã được sản xuất theo cách đơn giản và tiết kiệm chi phí, tăng tính thực tế của H2 như một chất xúc tác điện. năng lượng sạch và tái tạo của tương lai.
Hydro là một loại khí rất dễ cháy có thể giúp thế giới đạt được mục tiêu năng lượng sạch nếu được sản xuất theo cách có trách nhiệm với môi trường. Trở ngại chính trong việc tạo ra khí hydro từ nước là lượng năng lượng lớn cần thiết cho quá trình điện phân nước hoặc tách các phân tử nước thành khí hydro (H2) và oxy (O2).
Hầu hết H2 được sản xuất ngày nay đều có nguồn gốc từ nhiên liệu hóa thạch, góp phần vào sự nóng lên toàn cầu. Việc sản xuất H2 từ nước thông qua phản ứng tiến hóa hydro (HER) yêu cầu sử dụng chất xúc tác hoặc tác nhân làm giảm lượng năng lượng cần thiết cho phản ứng hóa học. Cho đến gần đây, những chất xúc tác này được làm từ kim loại đất hiếm, như bạch kim, làm giảm hiệu quả chi phí và tính thực tế của việc sản xuất hydro sạch.
Một nhóm các nhà khoa học vật liệu từ Đại học Công nghệ Đại Liên ở Đại Liên, Trung Quốc đã sản xuất chất xúc tác điện hoặc chất xúc tác sử dụng điện, sử dụng các vật liệu và phương pháp rẻ tiền để giảm hiệu quả năng lượng cần thiết để tạo ra H2 sạch từ nước. Điều quan trọng là hợp kim hoặc hỗn hợp silicua sắt-niken (FeNiSi) cũng làm giảm năng lượng cần thiết để tạo ra O2 từ nước, làm cho chất xúc tác có chức năng kép.
Các nhà nghiên cứu đã công bố nghiên cứu của họ trên tạp chí Nano Research Energy.
"Điều thực sự hạn chế sự phát triển và ứng dụng thực tế của công nghệ điện phân nước là vật liệu xúc tác điện. Hiện nay, các chất xúc tác thông thường, chẳng hạn như kim loại quý… hầu hết là chất xúc tác đơn chức năng, điều này hạn chế ứng dụng thực tế của điện phân nước để sản xuất hydro. Do đó, Yifu Zhang, tác giả chính của nghiên cứu và nhà nghiên cứu tại Trường Hóa học thuộc Đại học Công nghệ Đại Liên, cho biết: nghiên cứu và phát triển vật liệu xúc tác điện hai chức năng hiệu quả, ổn định, rẻ tiền và thân thiện với môi trường là mục tiêu chính trong lĩnh vực xúc tác điện.
Hợp kim silicide kim loại chuyển tiếp là những hợp chất độc đáo thường được sử dụng trong các lĩnh vực liên quan đến năng lượng, được sản xuất với giá rẻ và hứa hẹn là chất xúc tác thủy phân nước tiềm năng. Các hợp kim này được làm từ kim loại chuyển tiếp, là chất xúc tác tuyệt vời cho và nhận electron tự do trong các phản ứng hóa học, cũng như nguyên tử Si, giúp tăng cường độ ổn định, khả năng chịu nhiệt và khả năng tiếp cận của các nguyên tử kim loại chuyển tiếp hợp kim khi có điện.
Fe và Ni, hai kim loại chuyển tiếp, rất thích hợp để sử dụng làm chất diệt khuẩn kim loại chuyển tiếp để tách nước. "Niken silicide đã được… nghiên cứu sâu vì độ bền thấp và hoạt tính kim loại cao, đặc biệt… trong lĩnh vực điện hóa. Ngoài ra, nhiều nghiên cứu gần đây đã chỉ ra rằng vật liệu gốc Fe-Ni có tiềm năng đáng kể trong lĩnh vực tách nước điện hóa. Mục đích Zhang cho biết, công việc này là phát triển một quy trình chi phí thấp, thân thiện với môi trường để điều chế silic niken sắt làm chất xúc tác nước điện phân hai chức năng (EWS).
Nhóm nghiên cứu đã sản xuất FeNiSi theo hai bước. Đầu tiên, magadiite đất sét tự nhiên, một nguồn silicon, sắt clorua và niken clorua được nung nóng dưới áp suất để tạo ra silicat sắt-niken. Sau đó, silicat sắt-niken được kết hợp và đun nóng với magie và natri clorua (muối ăn) để phát triển cấu trúc có trật tự của hợp kim FeNiSi. Điều quan trọng là đây là lần đầu tiên một hợp kim silicide kim loại được sản xuất bằng loại phản ứng hóa học sử dụng silicat kim loại làm vật liệu phản ứng.
Kính hiển vi điện tử và kỹ thuật mô tả đặc điểm tia X cho thấy rằng quy trình sản xuất đã tạo ra nhiều cấu trúc lỗ rỗng trong hợp kim FeNiSi cuối cùng, làm tăng diện tích bề mặt và hiệu suất xúc tác điện tổng thể. Hợp kim FeNiSi làm giảm điện thế cần thiết để tách oxy và hydro khỏi nước xuống 308 mV đối với phản ứng tạo oxy (OER) và 386 mV đối với HER, tương ứng ở dòng điện 10 mA·cm−2. Chất xúc tác điện cũng chứng tỏ đủ độ bền sau 15 giờ sử dụng.
Nhóm nghiên cứu mong muốn FeNiSi và các silicat kim loại chuyển tiếp khác góp phần tổng hợp khí hydro sạch cho nhu cầu năng lượng trong tương lai.
"Công việc này không chỉ cung cấp một phương pháp dễ dàng để tổng hợp silicide liên kim loại với cấu trúc xốp đáng kể mà còn cho phép silicide liên kim loại được coi là chất xúc tác điện hai chức năng cho EWS. Chất xúc tác điện tử silic liên kim loại chi phí thấp và hiệu quả sẽ mang lại cơ hội mới cho… tái tạo chuyển đổi năng lượng", Zhang nói.
Những người đóng góp khác bao gồm Xuyang Jing, Yang Mu, Zhanming Gao và Xueying Dong từ Trường Hóa học tại Đại học Công nghệ Đại Liên ở Đại Liên, Trung Quốc; Changgong Meng từ Trường Hóa học và Trường Cao đẳng Kỹ thuật Hóa học và Môi trường tại Đại học Công nghệ Đại Liên; và Chi Huang từ Trường Cao đẳng Hóa học và Khoa học Phân tử tại Đại học Vũ Hán ở Vũ Hán, Trung Quốc.
