Chất xúc tác mới tăng cường phản ứng giải phóng oxy trong điều kiện axit để thúc đẩy sản xuất hydro xanh
bởi Đại học Tohoku
Tóm tắt đồ họa. Tín dụng: Angewandte Chemie International Edition (2025). DOI: 10.1002/anie.202422707
Trong một tiến bộ đáng kể đối với công nghệ năng lượng tái tạo, một chất xúc tác mới đã được phát triển giúp cải thiện đáng kể hiệu quả và độ ổn định của phản ứng giải phóng oxy (OER) trong môi trường axit, một quá trình quan trọng để phân tách nước và sản xuất hydro.
Nghiên cứu đã phát hiện ra một chất xúc tác oxit ba thành phần—Ru3Zn0,85W0,15Ox (RZW)—được thiết kế để giải quyết những thách thức lâu dài trong việc đạt được hoạt tính xúc tác cao và độ bền trong điều kiện axit.
Chi tiết về nghiên cứu đã được công bố trên tạp chí Angewandte Chemie International Edition.
OER, một phản ứng chính trong quá trình phân tách nước, đóng vai trò trung tâm trong việc tạo ra hydro xanh, hứa hẹn một giải pháp năng lượng bền vững và không phát thải carbon. Tuy nhiên, các chất xúc tác thông thường thường gặp khó khăn trong việc duy trì cả hiệu suất cao và độ ổn định trong môi trường có tính axit.
Chất xúc tác mới này, RZW, khai thác các đặc tính hút electron độc đáo của vonfram (W) và hành vi hy sinh của kẽm (Zn) để tăng cường hiệu suất OER.
Nghiên cứu cho thấy rằng trong quá trình OER ban đầu, kẽm hòa tan khỏi chất xúc tác, giải phóng các electron bị các loài vonfram bắt giữ. Điều này dẫn đến sự tích tụ electron tại các vị trí rutheni (Ru), tăng cường hoạt động xúc tác.
Mặc dù kẽm bị hòa tan, chất xúc tác vẫn duy trì tính toàn vẹn về cấu trúc và hiệu quả xúc tác của nó, nhờ vai trò ổn định của vonfram, ưu tiên chiếm các vị trí cầu nối và bảo toàn các cấu hình Ru hoạt động.
Phân tích lý thuyết về hiệu suất OER nâng cao. Nguồn: Hao Li và cộng sự
Hiệu suất OER thử nghiệm. Nguồn: Hao Li và cộng sự
Phân tích cấu trúc tinh thể và điện tử sau quá trình OER. Tín dụng: Hao Li và cộng sự
Bằng cách sử dụng kết hợp các kỹ thuật thử nghiệm tiên tiến—bao gồm quang phổ điện tử quang điện tử tia X (XPS), kính hiển vi điện tử truyền qua độ phân giải cao (HRTEM) và cấu trúc tinh tế hấp thụ tia X mở rộng biến đổi Fourier (FT-EXAFS)—cùng với các tính toán lý thuyết hàm mật độ (DFT), nhóm nghiên cứu đã điều tra các đặc tính cấu trúc và điện tử của chất xúc tác trong điều kiện OER.
Các phát hiện cho thấy sự hòa tan nhanh chóng của kẽm góp phần đáng kể vào việc tăng cường truyền electron, cải thiện cả hoạt động OER và độ ổn định lâu dài của chất xúc tác.
"Bước đột phá này chứng minh cách pha tạp chiến lược với vonfram và sử dụng kim loại hy sinh như kẽm có thể cải thiện đáng kể hiệu suất của chất xúc tác OER", Hao Li, Phó giáo sư tại Viện nghiên cứu vật liệu tiên tiến (WPI-AIMR) của Đại học Tohoku và là tác giả liên hệ của bài báo cho biết.
"Những phát hiện của chúng tôi cho thấy phương pháp tiếp cận này cung cấp một lộ trình đầy hứa hẹn để phát triển chất xúc tác hiệu suất cao, tiết kiệm chi phí cho sản xuất hydro xanh, đóng vai trò quan trọng trong quá trình chuyển đổi sang năng lượng tái tạo".
Nghiên cứu đã được cung cấp thông qua Nền tảng xúc tác kỹ thuật số (DigCat), cơ sở dữ liệu xúc tác thử nghiệm lớn nhất cho đến nay, do Phòng thí nghiệm Hao Li phát triển.
Bước tiếp theo của nghiên cứu này là thử nghiệm chất xúc tác RZW trong các hệ thống điện phân hoàn chỉnh để đánh giá hiệu suất của nó trong các ứng dụng thực tế. Bằng cách thu hẹp khoảng cách giữa nghiên cứu cơ bản và triển khai thực tế, nhóm nghiên cứu đặt mục tiêu đóng góp vào việc phát triển các công nghệ sản xuất hydro hiệu quả và có khả năng mở rộng hơn.
