Chất xúc tác phân tách nước mới tạo ra hydro xanh mà không cần kim loại đắt tiền
Các nhà nghiên cứu ANEMEL đã tạo ra một chất xúc tác cho quá trình phân tách nước hiệu quả và ổn định, không phụ thuộc vào các kim loại nhóm bạch kim (PGM) khan hiếm. Nghiên cứu mới được công bố trên tạp chí Energy & Environmental Science , báo cáo về một chất xúc tác không chứa PGM hiệu suất cao cho cực âm trong quá trình điện phân nước, chịu trách nhiệm cho phản ứng tạo ra hydro xanh.
Các máy điện phân nước màng trao đổi anion (AEM) hiện tại dựa vào PGM, một loại vật liệu khan hiếm và đắt tiền. Cụ thể, các kim loại này được sử dụng làm chất xúc tác ở catốt, nơi tạo ra hydro. Tuy nhiên, máy điện phân ANEMEL AEM không sử dụng PGM, thay vào đó lựa chọn các kim loại dồi dào hơn như niken. Điều này rất cần thiết để máy điện phân có thể được áp dụng rộng rãi: giúp giảm chi phí cho các thành phần của máy điện phân và cải thiện khả năng tái chế, giảm chất thải và mang lại lợi thế cạnh tranh.
Điều này đòi hỏi phải nghiên cứu các phương pháp cải tiến để đảm bảo các bình điện phân hoạt động ít nhất là tốt, nếu không muốn nói là tốt hơn, so với các bình điện phân được làm bằng PGM. Xét cho cùng, bạch kim và các kim loại khác trong nhóm này cung cấp hoạt động và độ ổn định tuyệt vời, đặc biệt là ở mật độ dòng điện cao trong môi trường bình điện phân, điều mà các chất xúc tác không có PGM vẫn không làm được.
Để hiểu được thành tựu này, các nhà nghiên cứu định nghĩa hai khái niệm: chất xúc tác tự hỗ trợ và điện phân. Chất xúc tác tự hỗ trợ là một loại chất xúc tác được hình thành bằng cách phát triển trực tiếp trên một chất hỗ trợ, được gọi là lớp khuếch tán khí (GDL). GDL cho phép khí khuếch tán trong khi cung cấp một đường dẫn dẫn và có thể được làm bằng nhiều vật liệu khác nhau. Chúng bao gồm giấy than, bọt niken, nỉ và lưới.
Điện phân là một kỹ thuật được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng như đồng hồ và thuyền, bất cứ nơi nào cần lớp phủ kim loại. Nó hoạt động thông qua quá trình điện phân, một quá trình sử dụng năng lượng điện để thúc đẩy phản ứng hóa học. Hai điện cực, điện cực làm việc—nơi đặt GDL—và một điện cực đối diện, được nhúng trong dung dịch dẫn điện gọi là chất điện phân. Bằng cách áp dụng dòng điện giữa hai điện cực, các ion trong dung dịch, đóng vai trò là tiền chất của chất xúc tác, di chuyển về phía điện cực làm việc để “nuôi dưỡng” chất xúc tác.
Tại đây, các nhà nghiên cứu ANEMEL đã phát triển một chất xúc tác được làm từ niken và molypden, cả hai đều là kim loại dồi dào. Điểm mới lạ nằm ở phương pháp và các biến số liên quan đến việc tạo ra chất xúc tác hiệu suất cao, vì sự kết hợp của các kim loại này đã từng được sử dụng trong các phản ứng tương tự trước đây.
Tác giả đầu tiên của bài báo Ariana Serban , nghiên cứu sinh tiến sĩ tại ANEMEL, đối tác của École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL), Thụy Sĩ, cho biết:
Tôi đã làm việc với chất xúc tác này trong một thời gian dài. Công việc này đã được tích lũy theo thời gian—chúng tôi đã tối ưu hóa phương pháp, thành phần của bồn điện phân và các chất nền mà chúng tôi đang sử dụng cho GDL,
Các nhà nghiên cứu đã chọn giấy than làm chất nền cho GDL. Quyết định này được đưa ra sau khi xác nhận rằng bọt niken, nỉ và lưới không phải là lựa chọn tốt nhất. Ví dụ, loại sau tạo ra các lỗ nhỏ trên màng, dẫn đến hiện tượng đoản mạch. Về phương pháp này, tính mới của nó nằm ở thành phần của bồn điện phân và việc sử dụng mật độ dòng điện cao để lắng đọng.
Serban giải thích,
Các bồn điện phân thường được sử dụng trong tài liệu thường bao gồm chất đệm, chẳng hạn như axit boric, để ổn định độ pH.
“Chúng tôi chưa sử dụng phương pháp này. Đó là lý do tại sao kỹ thuật này lại đặc biệt. Chúng tôi chỉ dựa vào chất điện phân có độ dẫn điện cao. Độ dẫn điện cao này rất quan trọng vì nó ảnh hưởng đến quá trình điện phân lắng đọng,”
Độ dẫn điện cao như vậy cho phép sử dụng mật độ dòng điện lắng đọng cao hơn, một lựa chọn có chủ đích để đạt được cấu trúc điện cực dày hơn và nhỏ gọn hơn.
Kết quả là một chất xúc tác có hoạt tính đáng chú ý. Đặc biệt, nó cho phép các máy điện phân hoạt động ổn định ở mật độ dòng điện cao tới 3 A/cm² — ứng suất tăng lên trong quá trình vận hành dòng điện cao có thể đóng vai trò là công cụ đánh giá nhanh độ bền của thiết bị, loại bỏ nhu cầu phải thử nghiệm kéo dài hàng nghìn giờ.
Hiệu suất như vậy có thể so sánh với chất xúc tác bạch kim chuẩn, thậm chí có độ ổn định cao hơn một chút. Điều này có nghĩa là ANEMEL không chỉ phát triển chất xúc tác HER không có PGM mà còn là chất xúc tác vượt trội hơn các chất xúc tác hiện đại. Theo Serban, kết quả này nằm trong top 100, thậm chí là top 50, về hiệu suất đối với chất xúc tác không có PGM.
Phân tích đặc tính của chất xúc tác cho thấy có sự thay đổi về cấu trúc trong quá trình phản ứng, giải thích cho kết quả tốt.
Cô ấy giải thích,
Có sự sắp xếp lại bề mặt, trong đó các nguyên tử molypden khối di chuyển lên bề mặt, nhờ sự biến dạng trong khối,
Một số nguyên tử này bị oxy hóa—chúng mất electron—và các loài bị oxy hóa này góp phần vào quá trình phân tách nước. Kết quả này đưa chúng ta tiến gần hơn một bước đến sản xuất hydro xanh quy mô lớn.
Chất xúc tác phân tách nước mới tạo ra hydro xanh mà không cần kim loại đắt tiền
Mời các đối tác xem hoạt động của Công ty TNHH Pacific Group.
FanPage: https://www.facebook.com/Pacific-Group
YouTube: https://www.youtube.com/@PacificGroupCoLt
