Công nghệ mới mang tính đột phá có thể chiết xuất hydro từ nước biển
Bởi Đại học Sharjah
Tóm tắt: Các nhà nghiên cứu đã phát triển một phương pháp mới, có thể mở rộng quy mô để sản xuất hydro trực tiếp từ nước biển, cung cấp một giải pháp mang tính cách mạng cho sản xuất năng lượng sạch mà không cần khử muối. Nguồn: Shutterstock
Một điện cực mới cho phép sản xuất hydro có thể mở rộng quy mô từ nước biển, cung cấp một giải pháp sạch, không cần khử muối cho các vùng ven biển khô cằn.
Các nhà nghiên cứu tại Đại học Sharjah đã phát triển một công nghệ mới có thể sản xuất nhiên liệu hydro sạch trực tiếp từ nước biển và ở quy mô công nghiệp.
Trong một nghiên cứu được công bố trên tạp chí Small, nhóm nghiên cứu đã báo cáo rằng họ có thể chiết xuất hydro mà không cần loại bỏ muối khoáng có trong nước biển hoặc thêm bất kỳ hóa chất nào.
Các nhà nghiên cứu cho biết phương pháp này loại bỏ nhu cầu về các nhà máy khử muối, vốn tốn kém để xây dựng và vận hành, thường tốn hàng trăm triệu đô la.
Điện cực được thiết kế chống ăn mòn nước biển
“Chúng tôi đã phát triển một điện cực mới, nhiều lớp có thể chiết xuất hydro trực tiếp từ nước biển một cách hiệu quả và bền vững. Các phương pháp truyền thống phải đối mặt với nhiều vấn đề, chủ yếu là ăn mòn và suy giảm hiệu suất do các ion clorua trong nước biển gây ra”, Tiến sĩ Tanveer Ul Haq, Trợ lý Giáo sư tại Khoa Hóa học tại Đại học Sharjah và là tác giả chính của nghiên cứu cho biết.
Nhóm nghiên cứu đã thiết kế một điện cực được chế tạo riêng, theo Tiến sĩ Ul Haq, “khắc phục những vấn đề này bằng cách tạo ra một môi trường vi mô bảo vệ và phản ứng giúp tăng hiệu suất trong khi vẫn chống lại hư hỏng”.
Minh họa có hệ thống về quá trình hình thành cách thiết bị mới chiết xuất hydro từ nước biển. Nguồn: Small (2025)
Khi nhu cầu về năng lượng sạch ngày càng cấp thiết, hydro đã nổi lên như một giải pháp đầy hứa hẹn. Nhưng việc sản xuất hydro thường đòi hỏi nước tinh khiết, vốn rất khan hiếm ở nhiều nơi trên thế giới.
Nghiên cứu này mang đến một bước đột phá tiềm năng bằng cách trình bày một phương pháp sản xuất hydro trực tiếp từ nước biển, tránh nhu cầu về nguồn nước ngọt.
“Tóm lại, chúng tôi đã chứng minh rằng điện phân nước biển trực tiếp không chỉ khả thi mà còn có thể mở rộng quy mô, mang lại hiệu quả ở cấp độ công nghiệp trong khi vẫn bảo vệ điện cực trong quá trình sử dụng lâu dài”, Tiến sĩ Ul Haq nói thêm.
Hiệu suất hiệu quả trong điều kiện nước biển thực tế
Trong nghiên cứu của mình, các nhà nghiên cứu mô tả thiết bị của họ là “thiết kế điện cực nhiều lớp, được thiết kế theo môi trường vi mô để điện phân nước biển bền vững”. Khi hoạt động, thiết bị cung cấp “mật độ dòng điện hình học là 1 A cm⁻² trong nước biển thực tế ở điện thế quá mức 420 mV, không hình thành hypoclorit và có độ ổn định hoạt động vượt trội trong 300 giờ ở nhiệt độ phòng”.
Nghiên cứu lưu ý rằng điện cực tạo ra hydro ở mức có thể áp dụng trong công nghiệp bằng cách sử dụng nước biển chưa qua xử lý. Gần như toàn bộ đầu vào điện được chuyển đổi thành đầu ra khí, đạt hiệu suất Faradaic là 98%.
“Thiết kế anot tiên tiến đạt được mật độ dòng điện khả thi trong công nghiệp là 1,0 A cm⁻² ở 1,65 V trong điều kiện tiêu chuẩn, đánh dấu một bước tiến đáng kể hướng tới sản xuất hydro có thể mở rộng quy mô, không cần khử muối trực tiếp từ nước biển”.
Hiệu suất Faradaic đo lường hiệu quả mà các electron tham gia vào một phản ứng điện hóa nhất định.
“Chúng tôi đã tạo ra một điện cực tiên tiến hoạt động trong nước biển thực mà không cần bất kỳ quá trình xử lý trước hoặc khử muối nào”, tác giả liên hệ của nghiên cứu, Yousef Haik, Giáo sư Kỹ thuật Cơ khí và Hạt nhân tại Đại học Sharjah cho biết.
Được thiết kế cho các vùng khô cằn, nhiều nắng
“Hệ thống của chúng tôi tạo ra hydro với tốc độ phù hợp với công nghiệp—1 ampe trên một cm vuông—với đầu vào năng lượng thấp. Điều này có thể cách mạng hóa cách chúng ta suy nghĩ về sản xuất hydro ở các vùng ven biển, đặc biệt là ở các quốc gia khô cằn như UAE, nơi nước ngọt hạn chế nhưng ánh sáng mặt trời và nước biển lại dồi dào”.
Điểm mạnh của công nghệ nằm ở cấu trúc nhiều lớp tiên tiến của điện cực, không chỉ chịu được điều kiện khắc nghiệt của nước biển mà còn phát triển mạnh trong đó. Thiết bị này tạo thành “một lớp màng metaborat bảo vệ, ngăn chặn sự hòa tan kim loại và sự hình thành oxit không dẫn điện”—một phương pháp loại bỏ nhu cầu lọc nước tốn nhiều năng lượng.
“Điều này bỏ qua quá trình khử muối tốn kém và lọc nước phức tạp, giúp sản xuất hydro xanh rẻ hơn và dễ tiếp cận hơn”, đồng tác giả Mourad Smari, cộng sự nghiên cứu tại Viện Khoa học và Kỹ thuật của Đại học Sharjah cho biết.
Lớp màng bảo vệ kéo dài tuổi thọ của hệ thống
Một trong những tính năng ấn tượng nhất của hệ thống là tuổi thọ của nó. “Nó chạy trong hơn 300 giờ mà không bị giảm hiệu suất, chống lại sự ăn mòn thường phá hủy các hệ thống tương tự”, Tiến sĩ Ul Haq cho biết. Nghiên cứu giải thích rằng lớp cacbonat “hoạt động như một lá chắn tĩnh điện”, bảo vệ nhiều lớp của điện cực khỏi bị hòa tan.
Trong các thử nghiệm hiệu suất, điện cực đạt tần số quay vòng là 139,4 s⁻¹ ở 1,6 V, mà các tác giả coi là một trong những tần số cao nhất được báo cáo cho hệ thống tương tự.
Hiệu suất Faradic: thế ăn mòn và mật độ dòng ăn mòn được ghi lại trước và sau 300 giờ điện phân, phép đo thời gian thế của phổ dải hóa trị và phổ Raman sau 300 giờ điện phân liên tục trong nước biển kiềm. Nguồn: Small (2025)
“Tóm lại, kiến trúc điện cực nhiều lớp được phát triển trong nghiên cứu này cung cấp một giải pháp hiệu quả cho quá trình điện phân nước biển trực tiếp hiệu quả”, nghiên cứu kết luận. “Hình thái nanosheet siêu mỏng, với diện tích bề mặt lớn, tạo điều kiện cho chất xúc tác tiếp xúc và hoạt động đáng kể, tối đa hóa các vị trí bề mặt có sẵn để oxy hóa nước biển trực tiếp”.
Tiến sĩ Ul Haq nhấn mạnh tác động tiềm tàng của công nghệ này đối với sản xuất năng lượng sạch và bền vững.
Năng lượng sạch với khả năng mở rộng bờ biển
“Công nghệ này có thể được áp dụng trong các nhà máy hydro quy mô lớn sử dụng nước biển thay vì nước ngọt quý giá. Hãy tưởng tượng các trang trại hydro chạy bằng năng lượng mặt trời dọc theo bờ biển UAE, sử dụng nước biển và ánh sáng mặt trời để sản xuất nhiên liệu sạch—không phát thải và ít gây áp lực cho tài nguyên”.
Khi được yêu cầu giải thích một cách đơn giản về cách thức hoạt động của thiết kế nhiều lớp, Tiến sĩ Ul Haq cho biết: "Thiết kế nhiều lớp của điện cực hoạt động giống như một bộ lọc thông minh - cho phép nước vào, ngăn chặn sự ăn mòn và tăng cường sản xuất hydro". Ông nói thêm rằng hiệu suất của hệ thống phần lớn là do cách nó xử lý các ion clorua trong nước biển.
Chức năng hóa cacbonat đẩy lùi các ion này và tạo ra một vi môi trường có tính axit cục bộ giúp đẩy nhanh phản ứng giải phóng oxy (OER), điều cần thiết cho quá trình sản xuất hydro. Bài báo lưu ý rằng cơ chế này "tăng cường động học OER và bảo vệ chống lại sự tấn công của clorua và sự hình thành kết tủa".
Từ thành công trong phòng thí nghiệm đến thí điểm thực tế
Công nghệ này đã thu hút sự quan tâm của "các công ty khởi nghiệp năng lượng sạch và các trung tâm đổi mới khu vực", Tiến sĩ Ul Haq lưu ý. "Đổi mới của chúng tôi biến nước biển từ một thách thức thành một giải pháp... Đây là hydro sạch được tạo ra từ biển".
Các nhà nghiên cứu hiện đang mong muốn triển khai công nghệ của họ trên quy mô lớn. Tiến sĩ Ul Haq cho biết: "Chúng tôi hiện đang chuyển từ thử nghiệm quy mô phòng thí nghiệm sang thử nghiệm quy mô thí điểm, tìm cách xác thực công nghệ trong điều kiện ngoài trời thực tế". “Mục tiêu tiếp theo của chúng tôi là phát triển một máy phát điện hydro dạng mô-đun chạy bằng năng lượng mặt trời, được thiết kế riêng để sử dụng ở các vùng ven biển khô cằn.”
Tài liệu tham khảo: “Microenvironment-Engineered Multilayered Electrode Design for Sustainable Seawater Oxidation” của Tanveer ul Haq, Aleena Tahir, Mourad Smari, Mohammad Yousef Al Haik và Yousef Haik, ngày 27 tháng 4 năm 2025, Nhỏ.
DOI: 10.1002/smll.202501376
