Chất xúc tác mới cải thiện hiệu suất sản xuất hydro sạch lên đến 99,9%
Hydro mang khoảng 120 megajoule năng lượng trên một kilôgam, gấp gần ba lần so với xăng. Tuy nhiên, việc sản xuất hydro mà không phát thải carbon vẫn phụ thuộc vào việc ép từng electron cuối cùng qua nước.
Công suất điện phân toàn cầu đã tăng gấp đôi lên 1,4 gigawatt vào năm 2023, nhưng Cơ quan Năng lượng Quốc tế cho biết thế giới cần 560 gigawatt vào năm 2030 để đạt được mục tiêu phát thải ròng bằng 0.
Khoảng cách đó khiến các nhà hóa học mất ngủ vào ban đêm. HengLiu của Đại học Tohoku vừa cho họ một lý do để ngủ ngon hơn. Nhóm của ông báo cáo về một chất xúc tác coban-molypden biến gần như mọi electron thành hydro.
Chất xúc tác tiền tạo tiền đề
Nhiều chất xúc tác công nghiệp bắt đầu cuộc sống như một chất xúc tác tiền định hình lại dưới điện áp. Sự thay đổi đó, được gọi là tái tạo, có thể làm tăng hoặc phá hủy hiệu suất.
“Thật khó để thiết kế một chất xúc tác hoạt động tốt khi chính chất xúc tác đó có thể thay đổi”, Liu giải thích, lưu ý đến thách thức khi đánh vào một mục tiêu đang di chuyển. Nhóm của ông quyết định điều khiển sự thay đổi thay vì chống lại nó.
Khi một điện cực thúc đẩy quá trình điện phân, các phân tử nước phân tách thành hydro và oxy. Phản ứng nửa giải phóng hydro là phản ứng giải phóng hydro.
Trong phản ứng đó, tiền chất Co2Mo3O8 giàu coban của Liu sẽ giải phóng molypden vào chất lỏng. Các nguyên tử coban tiếp xúc sau đó liên kết với các ion hydroxide và sắp xếp lại thành một lớp vỏ nano của Co(OH)₂.
Coban và hydro sạch
Coban chiếm vị trí lý tưởng trên bảng tuần hoàn khi nói đến hoạt động xúc tác. Nó có sự cân bằng vừa phải về mật độ electron để thu hút và giải phóng proton trong quá trình sản xuất hydro.
Khi kết hợp với molypden, hợp kim tạo thành một bề mặt dẫn điện và ổn định, chống ăn mòn trong dung dịch kiềm. Độ bền đó là điều cần thiết để duy trì quá trình điện phân quy mô lớn mà không cần bảo trì liên tục.
Kiểm soát điện áp cho phép lớp vỏ bao bọc lõi tinh thể một cách đồng đều, tạo ra một cấu trúc dị thể gọn gàng. Các thử nghiệm trong phòng thí nghiệm cho thấy giao diện tăng tốc bước mà nước cho proton đầu tiên của nó.
Trong khi đó, các anion molybdate hòa tan trôi trở lại và đậu trên lớp vỏ. Ở điện thế âm hơn một chút, chúng kết hợp thành Mo₂O₇²⁻, nới lỏng sự kìm kẹp của hydro và để các bong bóng thoát ra nhanh hơn.
Các ion molybdate và hydro sạch
Sự hiện diện của các ion MoO₄²⁻ (anion molybdate) và Mo₂O₇²⁻ không chỉ là tác dụng phụ của quá trình tái tạo mà còn đóng vai trò trực tiếp trong hiệu suất.
Các ion này làm thay đổi cách hydro bám vào và thoát ra khỏi bề mặt, đây là chìa khóa để duy trì phản ứng nhanh và hiệu quả.
Khi Mo₂O₇²⁻ hình thành dưới điện áp âm hơn một chút, nó thúc đẩy liên kết hydro yếu hơn. Điều này giúp các nguyên tử hydro dễ ghép đôi và tách ra thành khí hơn, thay vì bị kẹt trên bề mặt.
Hiệu suất Faradaic đo lường phần dòng điện tạo ra sản phẩm mong muốn. Chất xúc tác mới đạt 99,9 phần trăm ở -0,4 vôn so với điện cực hydro thuận nghịch, với sản lượng hydro là 1,85 mol mỗi giờ.
Những con số đó giữ nguyên trong hơn một tháng ở mức khoảng 100 mili ampe trên một centimet vuông, mật độ dòng điện liên quan đến các ô công nghiệp kiềm.
Các điện cực bạch kim trên cacbon thương mại trong cùng một thử nghiệm đã mất ba phần tư hoạt động của chúng trong vòng một ngày.
Từ bàn thí nghiệm đến sàn nhà máy
Nghiên cứu cho thấy vật liệu vẫn hoạt động sau khi nằm trên kệ trong nhiều tuần. Sự ổn định đó làm giảm chi phí vận chuyển và lưu trữ cho các dự án quy mô lớn.
Coban và molypden đã được khai thác để sản xuất pin và thép, do đó chuỗi cung ứng vẫn tồn tại. Mặc dù vậy, vẫn cần có kế hoạch tái chế để ngăn chặn giá tăng đột biến nếu nhu cầu tăng mạnh.
Tính toán lý thuyết về sản xuất năng lượng hydro sạch ở hiệu suất 99%. Nhấp vào hình ảnh để phóng to. Nguồn: Nature
Các nhà phân tích dự kiến thị trường máy điện phân hydro sẽ tăng từ 1,75 tỷ đô la vào năm 2025 lên 40 tỷ đô la vào năm 2032, tốc độ tăng trưởng hàng năm là 56%. Các chất xúc tác gần như hoàn hảo như của Liu có thể giúp những dự đoán đó trở thành hiện thực.
Khó khăn trong việc mở rộng quy mô hydro sạch
Việc mở rộng quy mô vẫn phải đối mặt với những rào cản như quản lý nhiệt và bám bẩn điện cực. Tập đoàn Tohoku có kế hoạch nghiên cứu thí điểm kết hợp chất xúc tác của họ với năng lượng gió không liên tục trên bờ biển Thái Bình Dương của Nhật Bản.
Một thách thức riêng biệt nằm ở việc tìm nguồn cung cấp chất điện phân kiềm ở khối lượng mà hệ thống gigawatt yêu cầu. Tái chế kali hydroxit và thu giữ molypden bị phân tán sẽ là một phần của bản tóm tắt kỹ thuật.
Các nhà nghiên cứu bên ngoài dự án hoan nghênh những hiểu biết sâu sắc về cơ học. Bằng cách theo dõi cả bề mặt rắn và chất lỏng thay đổi, nhóm nghiên cứu nhấn mạnh rằng phản ứng hóa học không bao giờ xảy ra riêng lẻ.
Mỗi lần tăng hiệu quả đều cắt giảm hóa đơn tiền điện, chi phí lớn nhất trong hydro xanh. Đó là lý do tại sao một dấu thập phân duy nhất (99,9 thay vì 99,0) vang vọng vượt xa phòng thí nghiệm.
Cơ sở hạ tầng hydro thay đổi
Nếu được mở rộng thành công, chất xúc tác này có thể giảm chi phí sản xuất hydro bằng cách cắt giảm lãng phí năng lượng và kéo dài tuổi thọ thiết bị.
Loại tiết kiệm đó làm cho việc tạo ra hydro tại chỗ trở nên thiết thực hơn đối với các ngành công nghiệp như vận chuyển, sản xuất thép và phân bón.
Nó cũng mở ra cánh cửa cho các đơn vị điện phân phân tán nhỏ hơn có thể cắm trực tiếp vào các trang trại năng lượng mặt trời hoặc gió tại địa phương.
Sản xuất tại địa phương nhiều hơn sẽ có nghĩa là ít phụ thuộc hơn vào đường ống hoặc vận chuyển đông lạnh, đơn giản hóa chuỗi cung ứng hydro.
Nghiên cứu được công bố trên NatureCommunications.
