Chất xúc tác niken hỗ trợ perovskite-oxynitride bền nước để phân hủy amoniac
bởi Học viện Công nghệ Tokyo
Việc thay thế các ion N3− tại các vị trí oxy có hiệu quả để phát triển các chất xúc tác mới cho quá trình phân hủy amoniac. Ảnh: Học viện Công nghệ Tokyo
Hydro đã trở thành ngọn hải đăng của năng lượng sạch nhờ mật độ năng lượng cao và không thải khí carbon. Bất chấp những ưu điểm này, nhiên liệu hydro vẫn còn lâu mới được thương mại hóa. Hóa lỏng hydro đòi hỏi một lượng năng lượng khổng lồ và nhiệt độ cực thấp, khiến việc sản xuất và vận chuyển quy mô lớn trên một khoảng cách dài khá khó khăn.
May mắn thay, amoniac là chất mang hydro đầy hứa hẹn có thể dễ dàng hóa lỏng trong các điều kiện ôn hòa hơn, được vận chuyển và phân hủy với sự trợ giúp của chất xúc tác để tạo ra khí nitơ tinh khiết và khí hydro mong muốn.
Trong những năm qua, các nghiên cứu đã phát hiện ra rằng chất hỗ trợ oxit bazơ thúc đẩy phản ứng phân hủy amoniac khi có chất xúc tác kim loại không quý như niken (Ni) bằng cách tạo điều kiện cho điện tử. Một khả năng tương tự để thúc đẩy xúc tác amoniac được nhìn thấy trong các vật liệu hỗ trợ chứa nitơ. Trong khi loại thứ nhất yêu cầu nhiệt độ hoạt động cao đối với chất xúc tác, thì loại thứ hai rất nhạy cảm với không khí và nước, điều này có thể dẫn đến sự ngừng hoạt động không thể đảo ngược.
Trong một bước đột phá gần đây được công bố trên Advanced Energy Materials, một nhóm các nhà nghiên cứu do Giáo sư Masaaki Kitano từ Viện Công nghệ Tokyo (Tokyo Tech) dẫn đầu đã vượt qua những rào cản này bằng cách phát triển chất xúc tác phân hủy amoniac dựa trên Ni có hoạt tính cao được hỗ trợ trên bari titan oxynitride hình lục giác ( h-BaTiO3−xNy).
Chất xúc tác không chứa kim loại quý mới thể hiện tốc độ phân hủy amoniac tuyệt vời ở nhiệt độ vận hành thấp hơn nhiệt độ cần thiết đối với chất xúc tác dựa trên Ni truyền thống. "Các kim loại quý như ruthenium thường được sử dụng làm chất xúc tác phân hủy amoniac nhưng rất đắt tiền. Nghiên cứu này trình bày một giải pháp thay thế dựa trên Ni cho thấy tốc độ sản xuất hydro tốt ở nhiệt độ thấp, một kỳ tích khá khó đạt được do ái lực yếu của nitơ đối với Ni dưới một nhiệt độ nhất định," Giáo sư Kitano giải thích.
Trong nghiên cứu của mình, nhóm đã khám phá oxynitride loại perovskite—một loại vật liệu được biết đến với tính ổn định và khả năng hình thành các chỗ trống nitơ. Nhưng cho đến nay, chúng vẫn chưa được khai thác làm vật liệu hỗ trợ cho quá trình xúc tác phân hủy amoniac ở nhiệt độ thấp hơn.
Tại đây, các nhà nghiên cứu đã tổng hợp chất xúc tác Ni/h-BaTiO3−xNy mới bằng cách phản ứng với khí nitơ và Ni/h-BaTiO3−xHy oxyhydrua trong các điều kiện ôn hòa. Chất xúc tác thu được sau đó được đưa vào các thí nghiệm phân hủy amoniac để phân tích tốc độ phản ứng và hiệu quả của nó.
Nhóm cũng đã thực hiện một loạt các thử nghiệm phân tích và tính toán để hiểu cơ chế xúc tác của nó.
Kết quả cho thấy rằng việc thay thế các vị trí O2– trên mạng BaTiO3 bằng các ion N3– đã làm giảm hơn 140oC nhiệt độ hoạt động của chất xúc tác dựa trên Ni, hiệu quả vượt trội đáng kể so với các chất xúc tác phân hủy amoniac dựa trên Ni truyền thống, cũng như tiền chất oxyhydride của nó.
Ngoài ra, các thí nghiệm đồng vị và phép đo quang phổ hồng ngoại biến đổi Fourier chỉ ra rằng các vị trí trống N3– đóng vai trò là các vị trí hoạt động cho phản ứng phân hủy tại bề mặt tiếp xúc của chất hỗ trợ kim loại, trong đó Ni tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình giải hấp khí nitơ từ chất hỗ trợ. Nhóm cũng phát hiện ra rằng Ni/h-BaTiO3−xNy ổn định trong nước và hoạt tính xúc tác của nó thực tế không bị ảnh hưởng sau khi tiếp xúc.
Trên thực tế, nghiên cứu làm sáng tỏ cơ chế xúc tác, làm nổi bật tầm quan trọng của việc thay thế ion N3– trong việc thúc đẩy quá trình xúc tác phân hủy amoniac. Những hiểu biết sâu sắc này có thể thúc đẩy sự phát triển của nhiều chất xúc tác kim loại không quý có hoạt tính cao bao gồm niken, coban và sắt. Giáo sư Kitano kết luận: "Điều này sẽ giúp việc sản xuất nhiên liệu hydro từ amoniac trở nên khả thi hơn, mở đường cho năng lượng sạch hơn và một hành tinh xanh hơn".
