Chất xúc tác nanocluster lõi-vỏ cho phép sản xuất hydro hiệu suất cao, chi phí thấp và thân thiện với môi trường
của Đại học Quốc gia Seoul
Sơ đồ của nanocluster lõi-vỏ. Nguồn: Khoa Kỹ thuật, Đại học Quốc gia Seoul
Một nhóm nghiên cứu Hàn Quốc đã phát triển thành công một chất xúc tác điện hóa tiên tiến. Sáng kiến này được kỳ vọng sẽ dẫn đầu thế hệ sản xuất hydro bền vững tiếp theo.
Chất xúc tác mới được phát triển này có nanocluster gốc ruthenium (Ru) với cấu trúc lõi-vỏ. Mặc dù chỉ sử dụng một lượng tối thiểu kim loại quý, nhưng nó mang lại hiệu suất đẳng cấp thế giới và độ ổn định đặc biệt. Hơn nữa, khi được áp dụng cho thiết bị điện phân nước quy mô công nghiệp, nó đã chứng minh được hiệu quả đáng kể, làm nổi bật tiềm năng của nó đối với các ứng dụng thương mại.
Nghiên cứu này đã được công bố trên Tạp chí Khoa học Năng lượng & Môi trường.
Hydro được coi rộng rãi là nguồn năng lượng sạch vì nó không thải ra carbon dioxide khi đốt cháy, khiến nó trở thành một giải pháp thay thế đầy hứa hẹn cho nhiên liệu hóa thạch. Một trong những cách hiệu quả nhất để sản xuất hydro thân thiện với môi trường là thông qua điện phân nước, phương pháp này phân tách nước thành hydro và oxy bằng điện.
Trong số các phương pháp điện phân khác nhau, điện phân nước màng trao đổi anion (AEMWE) đang được chú ý như một công nghệ thế hệ tiếp theo do khả năng sản xuất hydro có độ tinh khiết cao. Tuy nhiên, để AEMWE có thể khả thi về mặt thương mại, nó đòi hỏi các chất xúc tác vừa có hiệu suất cao vừa có độ ổn định lâu dài.
Hiện nay, bạch kim (Pt) là chất xúc tác được sử dụng rộng rãi nhất để sản xuất hydro, nhưng chi phí cao và sự phân hủy nhanh của nó đặt ra những thách thức đáng kể. Mặc dù các nhà nghiên cứu đã khám phá các giải pháp thay thế kim loại không quý, nhưng những vật liệu này thường có hiệu suất thấp và độ ổn định kém, khiến chúng không phù hợp để sử dụng trong công nghiệp.
Các hạt có kích thước nano thể hiện hoạt động cao nhưng độ ổn định thấp, trong khi vật liệu khối thể hiện độ ổn định cao nhưng hoạt động thấp. Bằng cách tận dụng những ưu điểm của cả hai vật liệu, một vật liệu nanocluster lõi-vỏ có cả hoạt động cao và độ ổn định đã được tổng hợp. Nguồn: Khoa học Năng lượng & Môi trường
Để khắc phục những hạn chế này, nhóm nghiên cứu do Giáo sư Jin Young Kim từ Khoa Khoa học và Kỹ thuật Vật liệu dẫn đầu, hợp tác với Giáo sư Chan Woo Lee từ Đại học Kookmin và Tiến sĩ Sung Jong Yoo từ Viện Khoa học và Công nghệ Hàn Quốc (KIST), đã phát triển một chất xúc tác nanocluster lõi-vỏ mới dựa trên rutheni (Ru), có hiệu quả về mặt chi phí cao gấp đôi so với bạch kim.
Bằng cách giảm kích thước chất xúc tác xuống dưới 2 nanomet (nm) và giảm thiểu lượng kim loại quý xuống chỉ còn một phần ba lượng được sử dụng trong các điện cực dựa trên bạch kim thông thường, nhóm nghiên cứu đã đạt được hiệu suất vượt trội, vượt trội hơn so với các chất xúc tác bạch kim hiện có.
Chất xúc tác mới được phát triển này đã chứng minh hiệu suất cao hơn 4,4 lần so với chất xúc tác bạch kim có cùng hàm lượng kim loại quý, thiết lập một chuẩn mực mới về hiệu quả phản ứng giải phóng hydro. Ngoài ra, nó còn ghi nhận hiệu suất cao nhất từng được báo cáo trong số các chất xúc tác giải phóng hydro.
Cấu trúc điện cực bọt độc đáo của nó tối ưu hóa nguồn cung cấp vật liệu phản ứng, đảm bảo độ ổn định vượt trội ngay cả trong điều kiện mật độ dòng điện cao.
Trong thử nghiệm AEMWE quy mô công nghiệp, chất xúc tác mới này cần ít điện năng hơn đáng kể so với chất xúc tác bạch kim thương mại. Kết quả này củng cố tiềm năng của nó như một giải pháp thay đổi cuộc chơi cho công nghệ điện phân nước thế hệ tiếp theo.
Quá trình phát triển bao gồm một số cải tiến quan trọng. Đầu tiên, nhóm nghiên cứu xử lý chất nền bọt titan bằng hydro peroxide để tạo thành một lớp oxit titan mỏng.
Sau đó, pha tạp kim loại chuyển tiếp molypden (Mo). Tiếp theo, các hạt nano oxit rutheni, có kích thước chỉ 1–2 nm, được lắng đọng đồng đều trên chất nền đã biến đổi.
Xử lý nhiệt độ thấp chính xác đã tạo ra sự khuếch tán ở cấp độ nguyên tử, tạo thành cấu trúc lõi-vỏ. Trong phản ứng giải phóng hydro, một quá trình khử điện hóa đã cải thiện thêm các đặc tính của vật liệu, tạo ra lõi kim loại rutheni được bao bọc bởi một lớp titania khử xốp, với các nguyên tử molypden kim loại được định vị tại giao diện.
Đầu tiên, titan dioxit (TiO2) được pha tạp molypden (Mo) thông qua quá trình tổng hợp thủy nhiệt ban đầu. Tiếp theo, quá trình tổng hợp thủy nhiệt bổ sung được thực hiện để lắng đọng ruthenium oxide (RuO2) lên chất nền titanium dioxide pha tạp molypden. Nguồn: Khoa học Năng lượng & Môi trường
Nhìn về phía trước, chất xúc tác nanocluster lõi-vỏ dự kiến sẽ cải thiện đáng kể hiệu quả sản xuất hydro trong khi giảm đáng kể lượng kim loại quý cần thiết, cuối cùng là giảm chi phí sản xuất.
Sự kết hợp giữa hiệu suất cao và tính khả thi về mặt kinh tế khiến nó trở thành ứng cử viên sáng giá để sử dụng trong pin nhiên liệu hydro cho xe cộ, hệ thống giao thông thân thiện với môi trường, nhà máy điện hydro và nhiều loại ứng dụng công nghiệp.
Khám phá những thông tin mới nhất về khoa học, công nghệ và không gian với hơn 100.000 người đăng ký tin tưởng vào Phys.org để có thông tin chi tiết hàng ngày. Đăng ký nhận bản tin miễn phí của chúng tôi và nhận thông tin cập nhật về những đột phá, sáng kiến và nghiên cứu quan trọng—hàng ngày hoặc hàng tuần.
Ngoài các ứng dụng thực tế, đột phá này còn đại diện cho một tiến bộ công nghệ lớn có thể đẩy nhanh quá trình chuyển đổi từ hệ thống năng lượng dựa trên nhiên liệu hóa thạch sang nền kinh tế chạy bằng hydro.
Giáo sư Jin Young Kim nhấn mạnh tác động của nghiên cứu, tuyên bố rằng, "Chất xúc tác lõi-vỏ, mặc dù nhỏ hơn 2 nanomet, nhưng lại cho thấy hiệu suất và độ ổn định đáng chú ý. Đột phá này sẽ đóng góp đáng kể vào sự phát triển của công nghệ chế tạo thiết bị lõi-vỏ nano và sản xuất hydro, đưa chúng ta đến gần hơn với tương lai trung hòa carbon".
Trong khi đó, Tiến sĩ Hyun Woo Lim, tác giả đầu tiên của nghiên cứu, đã được chọn cho Chương trình học bổng Sejong của chính phủ và tiếp tục nghiên cứu của mình với tư cách là nghiên cứu sinh sau tiến sĩ tại phòng thí nghiệm của Giáo sư Kim tại Đại học Quốc gia Seoul.
Trọng tâm hiện tại của ông là tiếp tục phát triển và thương mại hóa công nghệ xúc tác lõi-vỏ.
