Điện cực tự phục hồi hứa hẹn sản xuất hydro xanh rẻ hơn, bền hơn từ quá trình điện phân nước
bởi Đại học Quốc gia Seoul
Các thành phần của một ô điện phân nước 3 ngăn có diện tích 25 cm² (bên trái) và hình ảnh hệ thống đang hoạt động (bên phải). Nguồn: Cao đẳng Kỹ thuật Đại học Quốc gia Seoul
Một nhóm nghiên cứu từ Cao đẳng Kỹ thuật Đại học Quốc gia Seoul đã phát triển một chiến lược vận hành điện phân nước mới có thể sản xuất hydro xanh mà không cần quy trình sản xuất chất xúc tác phức tạp.
Nhóm nghiên cứu đã trình bày khả năng tăng đáng kể hiệu quả sản xuất hydro mà không cần sử dụng chất xúc tác gốc kim loại quý. Do đó, kết quả nghiên cứu này được kỳ vọng sẽ là bước ngoặt công nghệ thúc đẩy hiện thực hóa một xã hội trung hòa carbon.
Những phát hiện này đã được công bố vào ngày 23 tháng 5 trên tạp chí Nature Communications với tiêu đề "Kiểm soát phân cực động của điện cực Ni để điện phân nước bền vững và có thể mở rộng quy mô trong điều kiện kiềm". Nhóm nghiên cứu bao gồm các Giáo sư Jeyong Yoon và Jaeyune Ryu từ Khoa Kỹ thuật Hóa học và Sinh học, hợp tác với nhóm của Giáo sư Jang Yong Lee từ Khoa Kỹ thuật Hóa học của Đại học Konkuk.
Công nghệ điện phân nước, sản xuất hydro xanh bằng điện, là một trong những công nghệ cốt lõi để đạt được tính trung hòa carbon và được chỉ định là một trong 12 công nghệ chiến lược quốc gia của Hàn Quốc. Mặc dù điện phân đang thu hút sự chú ý như một phương pháp cốt lõi để sản xuất hydro thân thiện với môi trường, nhưng các hệ thống hiện tại đòi hỏi phải tổng hợp chính xác các lớp xúc tác có hoạt tính cao và áp dụng lên bề mặt điện cực. Các lớp xúc tác này dần bị phân hủy theo thời gian, gây ra những hạn chế về mặt cấu trúc.
Để giải quyết vấn đề này, nhóm nghiên cứu đã độc lập phát triển một phương pháp "Hoạt động kích hoạt điện hóa (EA)" mới. Phương pháp này cho phép sản xuất hydro hiệu quả cao và lâu dài chỉ bằng cách sử dụng điện cực niken (Ni) thương mại—loại bỏ nhu cầu về các lớp xúc tác đắt tiền, được thiết kế chính xác.
Nhóm nghiên cứu đã áp dụng phương pháp hoạt động EA do chính họ phát triển cho các điện cực Ni thương mại mà không cần bất kỳ lớp phủ xúc tác nào. Kết quả là, họ đạt được hiệu suất điện phân nước tương đương với chất xúc tác Ni-Fe oxyhydroxide (NiFeOOH) hiệu suất cao, được biết đến với sự xuất sắc trong phản ứng giải phóng oxy (OER)—bước quyết định tốc độ của quá trình điện phân nước.
Kỹ thuật cốt lõi nằm ở phương pháp có tên là Kiểm soát phân cực động, định kỳ cho điện cực "nghỉ ngơi". Bằng cách áp dụng điện áp khử yếu vào điện cực Ni trong thời gian ngắn, lượng nhỏ Fe hòa tan trong chất điện phân KOH được tạo ra để bám lại vào bề mặt điện cực. Sau đó, sắt bám lại này liên kết với Ni để tự động tạo thành lớp chất xúc tác giải phóng oxy có hoạt tính cao trên điện cực. Qua các chu kỳ lặp lại, điện cực duy trì hoạt động và trở thành hệ thống tự phục hồi.
Cơ chế của phương pháp vận hành EA do nhóm nghiên cứu phát triển (bên trái) và so sánh độ bền giữa hoạt động điện phân nước thông thường và hoạt động EA (bên phải). Nguồn: Nature Communications
Một ô điện phân nước sử dụng phương pháp vận hành này đã hoạt động ổn định trong hơn 1.000 giờ ở mật độ dòng điện cao 1 A/cm². Hơn nữa, hệ thống đã chứng minh được độ bền vượt trội trong cấu hình mở rộng: một ô điện phân nước ba ngăn xếp với diện tích hoạt động 25 cm² trên mỗi ô cũng chạy trong vài trăm giờ. Kết quả này xác minh độ tin cậy của công nghệ không chỉ ở quy mô phòng thí nghiệm mà còn trong các điều kiện thực tế liên quan đến hoạt động mở rộng và các hệ thống diện tích lớn.
Hoạt động EA chứng minh tiềm năng cải thiện đáng kể tính khả thi về mặt kinh tế của sản xuất hydro xanh bằng cách thay thế các chất xúc tác kim loại quý đắt tiền và đơn giản hóa quy trình tạo ra hydro. Phương pháp này đạt được cả hiệu quả cao và độ ổn định lâu dài mà không cần vật liệu đắt tiền hoặc quy trình sản xuất phức tạp.
Nó không chỉ giúp giảm chi phí thực tế của sản xuất hydro mà còn thể hiện khả năng tái tạo và khả năng mở rộng mạnh mẽ, khiến nó rất hứa hẹn để mở rộng sang các hệ thống quy mô lớn và triển khai thương mại.
Theo đó, công nghệ này dự kiến sẽ nâng cao khả năng cạnh tranh của các quy trình sản xuất hydro của Hàn Quốc thông qua chuyển giao công nghệ trong tương lai và ứng dụng công nghiệp. Nó cũng được dự đoán sẽ đóng vai trò là công nghệ nền tảng hỗ trợ Hàn Quốc hiện thực hóa mục tiêu trung hòa carbon và chuyển đổi sang nền kinh tế dựa trên hydro.
Giáo sư Yoon, người đứng đầu nghiên cứu, nhấn mạnh, "Một phương pháp sản xuất hydro không phụ thuộc vào chất xúc tác là một chiến lược mang tính chuyển đổi có thể cải thiện đáng kể tính kinh tế và khả năng mở rộng của hydro xanh. Thành tựu này đánh dấu một bước ngoặt thực sự cho các công nghệ kinh tế hydro hướng đến mục tiêu trung hòa carbon."
Đồng lãnh đạo nghiên cứu, Giáo sư Ryu nói thêm, "Nghiên cứu này không chỉ là về việc tối ưu hóa các điều kiện vận hành. Đây là một nghiên cứu ứng dụng cơ bản làm rõ một cách có hệ thống các tương tác điện hóa phức tạp tại giao diện điện cực/chất điện phân và triển khai thành công chúng trong một hệ thống thực tế. Đây là trường hợp mà cả hiểu biết lý thuyết và sự liên quan đến công nghiệp đều được chứng minh hiệu quả."
Thông tin thêm: Sanghwi Han và cộng sự, Kiểm soát phân cực động của điện cực Ni để điện phân nước bền vững và có thể mở rộng trong điều kiện kiềm, Nature Communications (2025). DOI: 10.1038/s41467-025-60201-w
Thông tin tạp chí: Nature Communications
