Sự suy giảm các nguồn năng lượng truyền thống dựa trên nhiên liệu hóa thạch và các hậu quả môi trường liên quan của chúng đã thu hút sự chú ý trên toàn thế giới đối với việc phát triển các nguồn năng lượng tái tạo. Những nguồn năng lượng tái tạo này có thể không đáp ứng được toàn bộ nhu cầu năng lượng của đại đa số dân số thế giới; tuy nhiên, chúng hạn chế tác động của khí nhà kính cũng như ô nhiễm không khí do đốt nhiên liệu hóa thạch. Trong số các nguồn tài nguyên thay thế, hydro được coi là nguồn năng lượng sạch nhất.
Tách nước tổng thể bằng cách sử dụng hỗn hợp các hạt nano được xử lý NiCu trên các tấm nano Co phân cấp trong máy điện phân. Nguồn hiện tại là pin 1,5 V. Nhà cung cấp hình ảnh: Ankur Kumara và Sasanka Deka
Tuy nhiên, hydro không tồn tại ở trạng thái tinh khiết trong tự nhiên như oxy và phải được sản xuất từ các nguồn tài nguyên chứa hydro như khí tự nhiên (metan), than đá, sinh khối và nước bằng cách cải tạo, phân hủy nhiệt hoặc điện phân. Nhưng việc sản xuất hydro từ khí đốt tự nhiên, than đá và sinh khối dẫn đến phát thải khí nhà kính carbon dioxide (CO 2 ).
Chúng ta biết rằng nước (H 2 O) được tạo thành từ các nguyên tử hydro và oxy; do đó, nước biển có thể là nguồn cung cấp hydro vô hạn. Do đó, hydro được coi là nguồn thay thế tiềm năng cho nhiên liệu hóa thạch. Sản xuất bằng năng lượng từ năng lượng tái tạo (sử dụng năng lượng gió, năng lượng mặt trời, thủy điện, năng lượng sóng hoặc tương tự) được gọi là "hydro xanh". Trong kịch bản này, việc tách nước thành hydro và oxy bằng điện tái tạo trong máy điện phân trên bề mặt chất xúc tác điện mạnh là một kỹ thuật được đề xuất.
Cần một chất xúc tác điện mạnh mẽ
Bất chấp những tiến bộ trong lĩnh vực này, quá trình phun nước để sản xuất hydro xanh giá cả phải chăng vẫn còn chậm chạp do những hạn chế liên quan đến chất xúc tác điện hiệu quả. Về lý thuyết, nước phân tách ở điện áp 1,23 V. Tuy nhiên, trên thực tế, giá trị này lớn hơn 1,5 V (đồng nghĩa với việc lãng phí năng lượng bổ sung). Về mặt lý thuyết, năng lượng tối thiểu này là cần thiết để phá vỡ phân tử nước. Các chất xúc tác điện dựa trên kim loại quý và kim loại quý đắt tiền, chẳng hạn như Pt, Pd, Au, Rh, Ir, v.v., được sử dụng trong máy điện phân cho quá trình này.
Các vấn đề chính mà ngành và các chuyên gia gặp phải là quá trình oxy hóa nước tạo ra O 2 và độ ổn định của chất xúc tác trong điều kiện kiềm công nghiệp khắc nghiệt. Trong bài toán đầu tiên, phản ứng nửa tế bào là một phản ứng khó khăn trong đó có sự tham gia của bốn electron và trong đó phần lớn năng lượng được yêu cầu ngoài sự mất năng lượng liên quan đến điện trở suất của các thành phần khác nhau (chất điện phân, liên kết, chất xúc tác, v.v.) của máy điện phân. Vấn đề thứ hai, các chất xúc tác đắt tiền thường mất hoạt tính do bị thoái hóa bề mặt. Trong những điều kiện này, cần có một chất xúc tác điện giá rẻ và ổn định nhưng có hoạt tính cao và ổn định cho phản ứng tách nước như vậy.
Sự phát triển hiện tại
Trong một nghiên cứu gần đây, nhóm của chúng tôi, do Sasanka Deka dẫn đầu, đã thiết kế và phát triển một chất xúc tác điện dựa trên nanocompozit mới, hiệu quả cao nhưng vẫn tiết kiệm chi phí để tách nước nói chung. Nanocompozit là hỗn hợp đồng nhất của hai hoặc nhiều vật liệu có kích thước nanomet. Nanocompozit hiện tại là một kiến trúc nano dựa trên các hạt nano được xử lý NiCu trên các tấm nano Co phân cấp. Phát hiện của chúng tôi được công bố trên tạp chí ACS Catalysis .
Các vật liệu được sử dụng rẻ hơn kim loại quý và quy trình tổng hợp rất thuận tiện. Chất xúc tác mới này được sử dụng trong máy điện phân kali hydroxit (KOH) để tách nước. Điều thú vị là hệ thống này cho thấy sự phân tách nước và sản xuất khí hydro bằng chất điện phân NiCu/Co ở điện áp tế bào 1,46 V. Như vậy, chất xúc tác điện có khả năng tách nước chỉ bằng cách sử dụng pin 1,5 volt gia dụng.
Các điểm quan trọng khác về chất xúc tác điện NiCu/Co là quá trình sản xuất hydro xanh diễn ra với mật độ dòng điện cao quan trọng về mặt công nghiệp, độ ổn định cao (6.000 chu kỳ) và độ bền (60 giờ) của chất xúc tác. Nó cũng hoạt động trên điều kiện điện phân công nghiệp chứa 30% trọng lượng chất điện phân KOH và điện áp pin được cung cấp thấp hơn nhiều so với điện áp của chất xúc tác IrO 2 ||Pt/C thương mại.
Các nghiên cứu thực nghiệm và tính toán chi tiết đã được thực hiện để hiểu lý do đằng sau hiệu quả này. Các kết quả được chứng thực ủng hộ giả thuyết ban đầu của chúng tôi về quá trình lọc chọn lọc vật liệu để tạo ra cấu trúc xốp hơn và sử dụng các trung tâm kim loại và hình dạng vật liệu khác nhau để phát triển hydro và oxy.
Tóm lại, chúng tôi đã phát triển một phương pháp đơn giản nhưng tiên tiến và tiết kiệm chi phí để thiết kế chất xúc tác điện hai chức năng dựa trên nanocompozit của NiCu đã được xử lý trên các tấm nano Co có thể tách nước ở điện áp 1,46 V với độ ổn định cao. Chúng tôi hy vọng rằng sản phẩm của chúng tôi có thể hữu ích cho việc tổng hợp quy mô lớn và sử dụng thương mại trong các máy điện phân để sản xuất hydro xanh.
