Cụm nano vàng có thể cải thiện quá trình phân tách nước điện hóa để tạo ra hydro

Nhà cung cấp:  Polyoxometalates  (2023). DOI: 10.26599/POM.2023.9140031

Hydro là một giải pháp thay thế đầy hứa hẹn nhưng hiện nay nó được sản xuất bằng cách cải tạo hơi nước, phương pháp này không hiệu quả và tạo ra lượng khí thải _CO2  . Tách nước điện hóa hay còn gọi là điện phân nước có thể tận dụng nguồn điện được tạo ra từ các nguồn tái tạo, là giải pháp tiềm năng, hiệu quả để sản xuất hydro.

Quá trình tách nước đòi hỏi một phản ứng gọi là phản ứng tiến hóa hydro (HER), nhưng các chất xúc tác nano liên quan đến HER này không có kích thước, thành phần, cấu trúc hoặc môi trường phối hợp hóa học đồng nhất để nâng cao hiệu quả và thúc đẩy sự hiểu biết về cơ chế phản ứng. Giải pháp cho vấn đề này có thể nằm ở các cụm nano vàng chính xác về mặt nguyên tử.

Trong một bài đánh giá tài liệu được xuất bản trên  Polyoxometalates  vào ngày 19 tháng 8, các nhà nghiên cứu đã tóm tắt công việc hiện có nghiên cứu cách các cụm nano vàng có thể cải thiện hiệu suất xúc tác và thúc đẩy HER.

"Rất khó để đạt được một chất xúc tác mô hình có kích thước đồng đều tuyệt đối, cấu hình hình học xác định và môi trường hóa học cục bộ được xác định rõ ràng ở cấp độ giải phẫu để thiết lập mối quan hệ hiệu suất-cấu trúc ở cấp độ nguyên tử rõ ràng. Các cụm nano vàng chính xác về mặt nguyên tử có thể giải quyết được những vấn đề đó”, Zhenghua Tang, nhà nghiên cứu tại Viện nghiên cứu năng lượng mới thuộc Đại học Công nghệ Nam Trung Quốc ở Quảng Châu, Trung Quốc, cho biết. “Đặc biệt, các cụm nano vàng đã thể hiện đặc tính xúc tác đặc biệt trong các phản ứng hữu cơ và phản ứng điện hóa khác nhau.”

Cụm nano vàng đặc biệt phù hợp để làm chất xúc tác cho HER vì nhiều lý do. Không giống như các chất xúc tác nano khác, cụm nano vàng có cấu trúc nano chính xác. Cấu trúc chính xác này có nghĩa là tất cả các cụm nano vàng đều có kích thước, thành phần, hình thái và môi trường hóa học đồng nhất.

Nó cũng hữu ích trong việc xác định các vị trí hoạt động cho xúc tác HER. Khả năng phản ứng hóa học phong phú của cụm nano vàng cho phép thực hiện cả kỹ thuật cắt lõi kim loại và kỹ thuật phối tử bề mặt. May đo lõi kim loại là khi một kim loại khác được đưa vào cụm nano vàng, tạo thành cụm hợp kim vàng. Việc giới thiệu một kim loại khác có thể mang lại khả năng xúc tác mới và cắt giảm chi phí. Trong kỹ thuật phối tử bề mặt, môi trường hóa học bề mặt có thể được tinh chỉnh để lộ ra nhiều vị trí hoạt động hơn hoặc thay đổi cấu trúc của cụm nano.

Cuối cùng, các cụm nano vàng còn có những ưu điểm về cấu trúc khác, chẳng hạn như kích thước siêu nhỏ, đáp ứng nguyên tắc “nhỏ là quý” trong lĩnh vực xúc tác; hình thái có thể được điều chỉnh và thao tác; sự ổn định mạnh mẽ với cấu trúc nguyên vẹn được bảo quản trong các phản ứng khác nhau trong điều kiện nhẹ.

Tang cho biết: “Các trường hợp được trình bày trong tổng quan này cho thấy rõ ràng rằng các đặc tính xúc tác HER đặc biệt thường được thể hiện do những ưu điểm khác biệt của cụm nano vàng so với hạt nano vàng. Tuy nhiên, chắc chắn có những thách thức trong việc sử dụng cụm nano vàng cho xúc tác HER”.

Một số thách thức phổ biến liên quan đến cụm nano vàng là tìm ra giải pháp cho lượng vàng cần thiết để mở rộng quy mô sử dụng các chất xúc tác này, các vấn đề về cách thức hoạt động của các chất xúc tác nano trong điều kiện khắc nghiệt và mô hình lý thuyết không chính xác.

Nhìn về phía trước, các nhà nghiên cứu đang lên kế hoạch cho những bước tiếp theo trong nghiên cứu chất xúc tác nano. Các giải pháp được đề xuất bao gồm thử nghiệm khả năng ứng dụng của hỗn hợp dựa trên cụm vàng cho các phản ứng khác kết hợp với HER và cải thiện tính dẫn điện của chất xúc tác tổng hợp dựa trên cụm.

Tang cho biết: “Do sự phát triển nhanh chóng của kỹ thuật tổng hợp và khoa học xúc tác, chúng tôi dự đoán sẽ có nhiều nỗ lực nghiên cứu hơn để sử dụng các cụm nano kim loại chính xác về mặt nguyên tử làm chất xúc tác mẫu cho các phản ứng điện xúc tác khác nhau và hơn thế nữa”.