Chiến lược tái tạo bề mặt có thể cho phép sản xuất nhiên liệu hydro giá cả phải chăng
bởi Đại học Tohoku
Đặc điểm của CoP|F-20 và CoP. a) Minh họa tổng hợp sơ đồ của CoP|F trên CFP. b) Ảnh SEM của các tấm nano CoP|F-20 trên một sợi carbon đơn. Thanh tỷ lệ, 2 µm. c) Ảnh TEM màu giả của một tấm nano CoP|F-20 điển hình, cho thấy độ dày tương đối của nó. Thanh tỷ lệ, 100 nm. d) Ảnh STEM có độ phân giải nguyên tử của CoP|F-20. Thanh tỷ lệ, 1 nm. Ảnh chèn bên phải cho thấy mẫu FFT tương ứng và ảnh chèn bên trái cho thấy cấu trúc tinh thể dọc theo trục vùng [101̄]. e Bản đồ nguyên tố STEM-EDX của CoP|F-20, cho thấy sự phân bố đồng nhất của Co (xanh lục), P (xanh lam) và F (đỏ). Thanh tỷ lệ, 200 nm. Hình ảnh HAADF-STEM của CoP|F-20 f và CoP g, và cường độ điểm ảnh tích hợp tương ứng h của khoảng cách dọc theo mặt (201). Thanh tỷ lệ, 1 nm. i) Phổ XPS Co 2p và j) P 2p của chất xúc tác CoP|F-20 và CoP. Phổ k XANES tại cạnh Co K của CoP|F-20, CoP và lá Co. l) Đường cong R-space phù hợp của phổ EXAFS của CoP|F-20 và CoP. Nguồn: Advanced Energy Materials (2025). DOI: 10.1002/aenm.202405846
Phản ứng giải phóng hydro (HER) là một quá trình đáng chú ý có thể tạo ra nhiên liệu hydro sạch—một phần tiềm năng của giải pháp cho cuộc khủng hoảng biến đổi khí hậu của chúng ta. Vấn đề nằm ở việc mở rộng quy mô phản ứng này từ một thí nghiệm trong phòng thí nghiệm thành sản xuất thương mại quy mô lớn, đồng thời vẫn giữ chi phí ở mức thấp.
Trong quá trình tìm kiếm hiệu suất HER vượt trội, các nhà nghiên cứu tại Đại học Tohoku đã chứng minh rằng một con đường tái tạo bề mặt có thể tạo ra các catốt bền không phải kim loại quý giúp tăng tốc phản ứng HER. Chúng có thể duy trì hiệu suất trong hơn 300 giờ và được tính toán là có chi phí rất gần với mục tiêu sản xuất H2 năm 2026 của Bộ Năng lượng Hoa Kỳ (2,00 đô la cho mỗi kgH2-1).
Điều này có thể mở đường cho thiết kế hợp lý các catốt hoàn toàn mới, hiệu suất cao không phải kim loại quý cho các ứng dụng PEM thương mại—cuối cùng là thu hẹp khoảng cách từ phòng thí nghiệm đến nhà máy.
Các phát hiện được công bố trên tạp chí Advanced Energy Materials.
Góc độ mà nghiên cứu này tiếp cận để cố gắng cải thiện HER—vốn có bản chất kém hiệu quả và chậm—là photphua kim loại chuyển tiếp (TMP). Chất xúc tác đầy hứa hẹn này (giúp cải thiện hiệu suất của HER) là một kim loại không quý bền và tiết kiệm chi phí. Tuy nhiên, kim loại quý thường được sử dụng, vì vậy các nhà nghiên cứu nhận ra rằng có một khoảng trống kiến thức về kim loại không quý cần được lấp đầy.
Các tính toán lý thuyết về sự hình thành chỗ trống P (Pv) do điện hóa học gây ra và hoạt động HER. (a-c) Biểu đồ Pourbaix bề mặt được tính toán cho (a) CoP(010), (b) CoP|F(010) với 1F được pha tạp ở bề mặt bên dưới và (c) CoP|F(010) với 2F được pha tạp ở bề mặt bên dưới. Thuật ngữ ∆∆G đề cập đến sự khác biệt về năng lượng tự do Gibbs giữa hệ thống nguyên sơ và hệ thống sau khi hình thành chỗ trống phốt pho. (d) Các bề mặt được xác định có sự hình thành 1 lớp đơn Pv. Các quả cầu màu xanh lam, tím và đỏ lần lượt biểu thị P, Co và F. (e) Mô hình hoạt động núi lửa HER cho thấy các hoạt động lý thuyết của các bề mặt CoP|F(010) với Pv. Tín dụng: Advanced Energy Materials (2025). DOI: 10.1002/aenm.202405846
Nhóm nghiên cứu đã chuẩn bị CoP biến đổi F và kiểm tra các khía cạnh như tái tạo bề mặt và các vị trí hoạt động thực sự của nó bằng cách sử dụng phổ hấp thụ tia X operando (XAS) và phép đo Raman. Về cơ bản, việc thêm F vào mạng CoP1-x cho phép các vị trí khuyết P hình thành trên bề mặt, dẫn đến các vị trí hoạt động nhiều hơn có thể tăng tốc HER.
"Co được tái tạo này có hoạt tính cao, hoạt động trong điều kiện axit và có thể duy trì khoảng 76 W trong hơn 300 giờ", Heng Liu (Viện nghiên cứu vật liệu tiên tiến: WPI-AIMR) cho biết.
"Chúng tôi đang tiến gần đến một phương pháp sản xuất nhiên liệu giá cả phải chăng. Chi phí tính toán khi sử dụng phương pháp này là 2,17 đô la cho mỗi kgH2-1—chỉ cao hơn 17 xu so với mục tiêu sản xuất hiện tại được đặt ra cho năm 2026".
Các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng khi catốt CoP biến đổi F này trải qua quá trình tái tạo bề mặt, hoạt động của nó được cải thiện. Thí nghiệm không chỉ kiểm tra thiết lập trong thiết lập thử nghiệm quy mô phòng thí nghiệm với ba điện cực mà còn mở rộng các phát hiện sang các máy điện phân PEM quy mô thương mại.
Thử nghiệm PEM của chất xúc tác CoP|F-20. (a) Minh họa sơ đồ của một ô PEM. (b) Đường cong I-V của máy điện phân PEM sử dụng IrO2 thương mại làm chất xúc tác anot và CoP|F-20 làm chất xúc tác catot. Không có điện áp ô nào được bù iR. (c) Công suất phụ thuộc thời gian và tổng lượng H2 tạo ra của máy điện phân PEM sử dụng IrO2 thương mại làm chất xúc tác anot và CoP|F-20 làm chất xúc tác catot ở 1 A cm-2.
Những kết quả này là những tiến bộ đáng kể trong nghiên cứu chất xúc tác HER có thể là cơ sở cho thiết kế hợp lý các catot không phải kim loại quý khác.
"Chúng tôi luôn nghĩ về mục tiêu cuối cùng, đó là nghiên cứu sẽ đi vào cuộc sống hàng ngày. Sự tiến bộ này đưa chúng tôi tiến gần hơn một bước đến việc thiết kế các lựa chọn thực tế hơn cho ứng dụng PEM thương mại", Liu nói.
Thông tin thêm: Rui Wu và cộng sự,
Tái tạo mặt Kích hoạt Cathode kim loại không quý cho màng trao đổi proton Máy điện phân nước, Vật liệu năng lượng tiên tiến (2025). DOI: 10.1002/aenm.202405846
Thông tin tạp chí: Vật liệu năng lượng tiên tiến
