Điện phân nước hiệu suất cao không cần bạch kim giúp nền kinh tế hydro gần hơn
Theo Viện Khoa học và Công nghệ Tiên tiến Hàn Quốc (KAIST)
Điện trở vận chuyển electron tại giao diện lớp xúc tác/lớp khuếch tán. Nguồn: Khoa học Năng lượng & Môi trường (2025). DOI: 10.1039/D4EE05816J
Hydro đang được chú ý như một nguồn năng lượng sạch không thải ra carbon. Trong số nhiều phương pháp khác nhau, điện phân nước, phân tách nước thành hydro và oxy bằng điện, được công nhận là phương pháp sản xuất hydro thân thiện với môi trường.
Cụ thể, điện phân nước màng trao đổi proton (PEMWE) được coi là công nghệ sản xuất hydro thế hệ tiếp theo do khả năng sản xuất hydro có độ tinh khiết cao ở áp suất cao. Tuy nhiên, công nghệ PEMWE hiện tại đã gặp phải những hạn chế trong quá trình thương mại hóa do phụ thuộc nhiều vào chất xúc tác kim loại quý đắt tiền và vật liệu phủ. Các nhà nghiên cứu Hàn Quốc hiện đã đề xuất một giải pháp mới để giải quyết những điểm nghẽn về mặt kỹ thuật và kinh tế này.
Một nhóm nghiên cứu do Giáo sư Hee-Tak Kim thuộc Khoa Kỹ thuật Hóa học và Sinh học phân tử đứng đầu, trong một nghiên cứu chung với Tiến sĩ Gisu Doo thuộc Viện Nghiên cứu Năng lượng Hàn Quốc (KIER), đã phát triển một công nghệ điện phân nước thế hệ tiếp theo đạt hiệu suất cao mà không cần lớp phủ bạch kim (Pt) đắt tiền. Bài báo của họ được xuất bản trên tạp chí Energy & Environmental Science.
Nhóm nghiên cứu tập trung vào lý do chính khiến iridi oxit (IrOx), một chất xúc tác có hoạt tính cao cho điện cực điện phân nước, không hoạt động tối ưu. Họ phát hiện ra rằng điều này là do quá trình truyền electron không hiệu quả và lần đầu tiên trên thế giới, chứng minh rằng hiệu suất có thể được tối đa hóa chỉ bằng cách kiểm soát kích thước hạt xúc tác.
Trong nghiên cứu này, người ta đã phát hiện ra rằng lý do chất xúc tác oxit iridi không thể hiện hiệu suất tuyệt vời nếu không có lớp phủ platin là do điện trở vận chuyển electron xảy ra tại giao diện giữa chất xúc tác, chất dẫn ion (sau đây gọi là ionomer) và chất nền Ti (titan) - các thành phần cốt lõi vốn được sử dụng cùng nhau trong điện cực điện phân nước.
Cụ thể, họ xác định rằng hiện tượng "kẹp", trong đó đường dẫn electron bị chặn giữa chất xúc tác, ionomer và chất nền titan, là nguyên nhân quan trọng gây giảm độ dẫn điện. Ionomer có các đặc tính gần giống với chất cách điện electron, do đó cản trở dòng electron khi nó bao quanh các hạt chất xúc tác. Hơn nữa, khi ionomer tiếp xúc với chất nền titan, một rào cản electron hình thành trên lớp oxit bề mặt của chất nền titan, làm tăng đáng kể điện trở.
Để giải quyết vấn đề này, nhóm nghiên cứu đã chế tạo và so sánh các chất xúc tác có nhiều kích thước hạt khác nhau. Thông qua đánh giá tế bào đơn và mô phỏng đa vật lý, họ đã chứng minh bằng thực nghiệm, lần đầu tiên trên toàn cầu, rằng khi sử dụng các hạt xúc tác oxit iridi có kích thước 20 nanomet (nm) trở lên, vùng hỗn hợp ionomer sẽ giảm, đảm bảo đường dẫn electron và khôi phục độ dẫn điện.
Hơn nữa, họ đã tối ưu hóa thành công cấu trúc giao diện thông qua thiết kế chính xác, đồng thời đảm bảo cả khả năng phản ứng và vận chuyển electron. Thành tựu này chứng minh rằng sự đánh đổi không thể tránh khỏi trước đây giữa hoạt động của chất xúc tác và độ dẫn điện có thể được khắc phục thông qua thiết kế giao diện tỉ mỉ.
Bước đột phá này được kỳ vọng sẽ là một cột mốc quan trọng không chỉ đối với sự phát triển của vật liệu xúc tác hiệu suất cao mà còn đối với việc thương mại hóa trong tương lai các hệ thống điện phân nước màng trao đổi proton có thể đạt hiệu suất cao trong khi giảm đáng kể lượng kim loại quý được sử dụng.
Giáo sư Hee-Tak Kim tuyên bố, "Nghiên cứu này trình bày một chiến lược thiết kế giao diện mới có thể giải quyết vấn đề độ dẫn điện giao diện, vốn là một nút thắt trong công nghệ điện phân nước hiệu suất cao." Ông nói thêm, "Bằng cách đảm bảo hiệu suất cao ngay cả khi không có vật liệu đắt tiền như bạch kim, đây sẽ là bước đệm tiến gần hơn đến việc hiện thực hóa nền kinh tế hydro".
Thông tin thêm: Jeesoo Park và cộng sự, Về vấn đề vận chuyển electron giao diện của chất xúc tác IrOx hoạt động mạnh, Khoa học năng lượng và môi trường (2025). DOI: 10.1039/D4EE05816J
Thông tin tạp chí: Khoa học năng lượng và môi trường
Do Viện khoa học và công nghệ tiên tiến Hàn Quốc (KAIST) cung cấp
