Chất xúc tác hydro bền vững hoạt động liên tục 3.000 giờ: Đột phá từ Hàn Quốc

21 tháng 8, 2026
Annie Nguyễn

Changwon, Hàn Quốc – Một chất xúc tác mới do các nhà nghiên cứu Hàn Quốc phát triển đã thể hiện sự kết hợp đặc biệt giữa hoạt tính và độ bền, có thể giải quyết một trong những thách thức dai dẳng nhất của hydro xanh: sự phân hủy dần dần của vật liệu bên trong máy điện phân nước.

Trong các thử nghiệm trên một ngăn xếp điện phân màng trao đổi anion ba tế bào thực tế, chất xúc tác đã hoạt động liên tục trong 3.000 giờ, tương đương khoảng bốn tháng, với mức suy giảm hiệu suất dưới 2%.

Công nghệ đột phá: Tái cấu trúc nguyên tử

Chìa khóa cho sự ổn định của chất xúc tác là khả năng tái cấu trúc ở cấp độ nguyên tử của platin và niken, ngăn chặn niken bị hòa tan trong quá trình sản xuất hydro. Công trình được dẫn dắt bởi Tiến sĩ Sung Mook Choi, nhà nghiên cứu chính tại Viện Khoa học Vật liệu Hàn Quốc, hợp tác với nhóm của Giáo sư Min Ho Seo tại Đại học Quốc gia Pukyong và Giáo sư Won Bae Kim tại Đại học Khoa học và Công nghệ Pohang.

Chất xúc tác của họ là vật liệu platin-niken có trật tự, được phát triển cho phản ứng tiến hóa hydro tại cathode của máy điện phân màng trao đổi anion. Nghiên cứu vừa được công bố trên tạp chí Carbon Energy.

Thách thức và giải pháp

Điện phân màng trao đổi anion hoạt động trong điều kiện kiềm và có thể giảm sự phụ thuộc vào kim loại nhóm platin đắt tiền so với các hệ thống màng trao đổi proton truyền thống. Tuy nhiên, môi trường kiềm làm phản ứng tiến hóa hydro chậm hơn về mặt động học, đòi hỏi chất xúc tác có hoạt tính cao để tạo ra hydro ở mật độ dòng điện có giá trị thương mại.

Platin là một trong những vật liệu hiệu quả nhất, nhưng chi phí cao và sự khan hiếm tạo ra rào cản cho triển khai quy mô lớn. Hợp kim hóa platin với niken có thể giảm lượng platin cần thiết và cải thiện sản xuất hydro. Thách thức lớn nhất là niken kém bền hơn về mặt hóa học so với platin trong điều kiện vận hành. Trong quá trình điện phân kéo dài, các nguyên tử niken có thể thoát khỏi hợp kim và đi vào dung dịch điện phân, làm thay đổi thành phần và giảm dần khả năng tạo hydro.

Nhóm nghiên cứu Hàn Quốc đã giải quyết vấn đề này bằng cách kiểm soát không chỉ thành phần hóa học mà còn cả sự sắp xếp chính xác của các nguyên tử. Trong hợp kim PtNi có trật tự, các nguyên tử platin và niken chiếm giữ các vị trí xác định trong mạng tinh thể, giúp tăng cường sự ổn định của niken và khả năng chống hòa tan trong môi trường kiềm.

Kết quả thử nghiệm và triển vọng

Sự khác biệt giữa vật liệu có trật tự và không trật tự trở nên rõ ràng sau thử nghiệm độ bền. Chất xúc tác không trật tự mất khoảng 54% hàm lượng niken ban đầu, trong khi chất xúc tác PtNi có trật tự chỉ mất khoảng 9%. Cấu trúc tinh thể hoạt động như một mỏ neo ở cấp độ nguyên tử, giữ niken trong hợp kim và bảo toàn môi trường điện tử chịu trách nhiệm cho hoạt động xúc tác.

Nhóm nghiên cứu đã thử nghiệm chất xúc tác trong một ngăn xếp ba tế bào diện tích lớn với diện tích hoạt động 64 cm². Mặc dù có các yếu tố phức tạp như phân phối nước không đều, quản lý khí, điện trở và gradient nhiệt độ, chất xúc tác PtNi có trật tự vẫn duy trì hoạt động ổn định trong 3.000 giờ với mức suy giảm hiệu suất dưới 2%.

Tiến sĩ Sung Mook Choi, nhà nghiên cứu chính tại Viện Khoa học Vật liệu Hàn Quốc, cho biết: "Nghiên cứu của chúng tôi có ý nghĩa quan trọng vì chúng tôi sử dụng khoa học tính toán để giải thích cách sắp xếp nguyên tử ngăn chặn sự hòa tan niken và sau đó xác nhận cơ chế bằng thực nghiệm qua phân tích chi tiết và vận hành 3.000 giờ."

Các nhà nghiên cứu hiện đang nỗ lực giảm tải lượng kim loại quý hơn nữa, cải thiện tính đồng nhất của sản xuất điện cực diện tích lớn và tối ưu hóa điều kiện vận hành. Phát hiện này có thể giúp giảm chi phí sản xuất hydro xanh và thúc đẩy quá trình chuyển đổi năng lượng trên quy mô toàn cầu.

Nguồn tin tham khảo / Reference: Korea Institute of Materials Science, Pukyong National University, Pohang University of Science and Technology, Carbon Energy (DOI: 10.1002/cey2.70265), H2Invest.io