Hydro là một vectơ năng lượng và hóa học đầy hứa hẹn để khử cacbon cho xã hội chúng ta. Không giống như nhiên liệu thông thường, việc sử dụng hydro làm nhiên liệu không tạo ra carbon dioxide. Thật không may, ngày nay hầu hết lượng hydro được sản xuất trong xã hội chúng ta đều đến từ khí mê-tan, một loại nhiên liệu hóa thạch. Nó thực hiện điều đó trong một quá trình (cải cách khí mêtan) dẫn tới lượng phát thải carbon dioxide đáng kể. Do đó, việc sản xuất hydro xanh đòi hỏi các giải pháp thay thế có thể mở rộng cho quy trình này.
Đồ họa thông tin giải thích khái niệm về máy điện phân nước PEM, cách thức hoạt động, kỹ thuật mới được nhóm triển khai và kết quả họ thu được. Tín dụng: ICFO
Điện phân nước mở ra một con đường tạo ra hydro xanh có thể được cung cấp năng lượng từ năng lượng tái tạo và điện sạch. Quá trình này cần các chất xúc tác cực âm và cực dương để đẩy nhanh các phản ứng kém hiệu quả như tách nước và tái hợp tương ứng thành hydro và oxy. Từ những khám phá ban đầu vào cuối thế kỷ 18, điện phân nước đã phát triển thành các công nghệ khác nhau. Một trong những triển khai hứa hẹn nhất của điện phân nước là màng trao đổi proton (PEM), có thể tạo ra hydro xanh kết hợp tốc độ cao và hiệu suất năng lượng cao.
Cho đến nay, quá trình điện phân nước – và đặc biệt là PEM – cần có chất xúc tác dựa trên các nguyên tố hiếm, khan hiếm, chẳng hạn như bạch kim và iridium, cùng nhiều nguyên tố khác. Chỉ có một số hợp chất kết hợp được hoạt tính cần thiết và tính ổn định trong môi trường hóa học khắc nghiệt do phản ứng này tạo ra. Điều này đặc biệt khó khăn trong trường hợp chất xúc tác anode phải hoạt động trong môi trường axit có tính ăn mòn cao—điều kiện mà chỉ có oxit iridium mới thể hiện hoạt động ổn định ở các điều kiện công nghiệp cần thiết. Nhưng iridium là một trong những nguyên tố khan hiếm nhất trên Trái đất.
Trong quá trình tìm kiếm các giải pháp khả thi, một nhóm các nhà khoa học gần đây đã thực hiện một bước quan trọng là tìm ra các chất thay thế cho chất xúc tác iridium. Nhóm đa ngành này đã tìm cách phát triển một phương pháp mới để mang lại hoạt tính và độ ổn định cho chất xúc tác không chứa iridium bằng cách khai thác các đặc tính chưa được khám phá cho đến nay của nước. Chất xúc tác mới lần đầu tiên đạt được độ ổn định trong quá trình điện phân nước PEM ở điều kiện công nghiệp mà không cần sử dụng iridium.
Bước đột phá này, được công bố trên Science, được thực hiện bởi các nhà nghiên cứu ICFO Ranit Ram, Tiến sĩ Lu Xia, Tiến sĩ Anku Guha, Tiến sĩ Viktoria Golovanova, Tiến sĩ Marinos Dimitropoulos, Aparna M. Das và Adrián Pinilla-Sánchez, và dẫn đầu bởi Giáo sư tại ICFO Tiến sĩ F. Pelayo García de Arquer; và bao gồm sự hợp tác quan trọng từ Viện Nghiên cứu Hóa học Catalonia (ICIQ), Viện Khoa học và Công nghệ Catalan (ICN2), Trung tâm Nghiên cứu Khoa học Quốc gia Pháp (CNRS), Nguồn sáng Kim cương và Viện Vật liệu Tiên tiến (INAM) .
Xử lý axit
Việc kết hợp hoạt động và sự ổn định trong môi trường có tính axit cao là một thách thức. Kim loại từ chất xúc tác có xu hướng hòa tan, vì hầu hết các vật liệu không ổn định nhiệt động ở độ pH thấp và tiềm năng ứng dụng trong môi trường nước. Các oxit iridium kết hợp hoạt tính và tính ổn định trong những điều kiện khắc nghiệt này và đó là lý do tại sao chúng là lựa chọn phổ biến làm cực dương trong điện phân nước trao đổi proton.
Việc tìm kiếm các chất thay thế cho iridium không chỉ là một thách thức ứng dụng quan trọng mà còn là một thách thức cơ bản. Nghiên cứu chuyên sâu trong việc tìm kiếm chất xúc tác không phải iridium đã dẫn đến những hiểu biết mới về cơ chế phản ứng và sự phân hủy, đặc biệt là việc sử dụng các đầu dò có thể nghiên cứu chất xúc tác trong quá trình vận hành kết hợp với mô hình tính toán. Những điều này đã dẫn đến những kết quả đầy hứa hẹn khi sử dụng vật liệu dựa trên mangan và coban oxit, đồng thời khai thác các cấu trúc, thành phần và chất khử khác nhau để thay đổi tính chất hóa lý của chất xúc tác.
Mặc dù sâu sắc nhưng hầu hết các nghiên cứu này đều được thực hiện trong các lò phản ứng cơ bản không có khả năng mở rộng và vận hành ở các điều kiện mềm hơn, xa ứng dụng cuối cùng, đặc biệt là về mật độ dòng điện. Cho đến nay, việc chứng minh hoạt động và tính ổn định với các chất xúc tác không chứa iridium trong lò phản ứng PEM và ở các điều kiện vận hành liên quan đến PEM (mật độ dòng điện cao) vẫn còn khó nắm bắt.
Để khắc phục điều này, các nhà nghiên cứu của ICFO, ICIQ, ICN2, CNRS, Diamond Light Source và INAM đã đưa ra một phương pháp mới trong việc thiết kế các chất xúc tác không chứa iridium, đạt được hoạt tính và độ ổn định trong môi trường axit. Chiến lược của họ dựa trên coban (rất dồi dào và rẻ), khá khác biệt so với những con đường thông thường.
"Thiết kế chất xúc tác thông thường thường tập trung vào việc thay đổi thành phần hoặc cấu trúc của vật liệu được sử dụng. Ở đây, chúng tôi thực hiện một cách tiếp cận khác. Chúng tôi đã thiết kế một vật liệu mới liên quan tích cực đến các thành phần của phản ứng (nước và các mảnh của nó) trong cấu trúc của nó. Chúng tôi nhận thấy rằng việc kết hợp nước và các mảnh nước vào cấu trúc xúc tác có thể được điều chỉnh để che chắn chất xúc tác trong những điều kiện đầy thách thức này, từ đó cho phép hoạt động ổn định ở mật độ dòng điện cao phù hợp cho các ứng dụng công nghiệp”, Giáo sư tại ICFO García de Arquer giải thích.
Với kỹ thuật của họ, bao gồm một quá trình phân tách trao đổi một phần vật liệu lấy nước, chất xúc tác thu được được coi là một chất thay thế khả thi cho chất xúc tác dựa trên iridium.
Mời đối tác xem hoạt động của Công ty TNHH Pacific Group.
FanPage: https://www.facebook.com/Pacific-Group
YouTube: https://www.youtube.com/@PacificGroupCoLt
