Điện phân thông minh hơn: Kết hợp phản ứng cho năng lượng và hóa học bền vững
của Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc
Lộ trình Điện tổng hợp Giá trị Kép. Nguồn: eScience (2025). DOI: 10.1016/j.esci.2024.100333
Trong hơn hai thế kỷ, nhiên liệu hóa thạch đã thống trị sản xuất năng lượng và hóa chất toàn cầu, chiếm hơn 80% lượng tiêu thụ và làm tăng mạnh lượng khí thải CO₂. Sự phụ thuộc này đã góp phần gây ra biến đổi khí hậu, mất an ninh năng lượng và suy thoái môi trường. Mặc dù đầu tư vào năng lượng tái tạo đã tăng nhanh chóng, các quy trình hóa học thông thường vẫn phát thải nhiều carbon và kém linh hoạt về mặt kinh tế.
Điện hóa học sử dụng năng lượng tái tạo mang lại một hướng đi đầy hứa hẹn: điều kiện vận hành ôn hòa, nguồn nguyên liệu dồi dào và hệ thống có khả năng mở rộng. Tuy nhiên, sự thiếu hiệu quả trong quá trình giải phóng oxy ở cực dương làm hạn chế tiềm năng của nó và làm tăng chi phí. Do những vấn đề này, việc phát triển các hệ thống điện tổng hợp tích hợp thay thế phản ứng giải phóng oxy (OER) bằng các phản ứng hiệu quả, có giá trị gia tăng để đạt được lợi ích kép là một nhu cầu cấp thiết.
Một nhóm nghiên cứu từ Đại học Giang Tô, Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc, Đại học Hasselt và MIT đã công bố một bài đánh giá toàn diện trên tạp chí eScience, xem xét quá trình điện tổng hợp đang phát triển như thế nào từ điện phân nước sang sản xuất giá trị gia tăng kép. Nghiên cứu phân tích các chất xúc tác, chất điện phân và cơ chế phản ứng cho phép kết hợp các phản ứng oxy hóa thay thế với các quá trình khử như CO₂, nitơ và chuyển đổi phân tử hữu cơ. Bằng cách nêu bật cả tiến bộ và thách thức, các tác giả đã cung cấp một lộ trình để phát triển các hệ thống điện hóa, đồng thời tạo ra nhiên liệu sạch và các hóa chất phù hợp với thị trường.
Bài đánh giá nhấn mạnh rằng việc thay thế phản ứng OER chậm chạp bằng các phản ứng oxy hóa thay thế—chẳng hạn như oxy hóa metanol, glycerol hoặc sulfide—cải thiện đáng kể hiệu suất hệ thống, đồng thời tạo ra các sản phẩm phụ hữu ích như axit formic, axit axetic, hydro peroxide hoặc lưu huỳnh nguyên tố. Khi kết hợp với các phản ứng khử ngoài phản ứng giải phóng hydro, chẳng hạn như khử CO₂ (CO₂RR), khử CO (CORR) hoặc khử nitơ (NRR), các hệ thống này đạt được hiệu suất kép với mức tiêu thụ năng lượng thấp hơn.
Sự phát triển chất xúc tác đóng vai trò trung tâm trong tiến trình này. Những tiến bộ trong vật liệu có cấu trúc nano, bao gồm các chất xúc tác hợp kim, pha tạp và kỹ thuật khuyết tật, đã mở rộng các vị trí hoạt động và tăng cường tính chọn lọc. Việc triển khai các điện cực tự hỗ trợ và điện cực khuếch tán khí càng làm tăng thêm độ ổn định và tốc độ chuyển đổi. Các thiết bị điện phân lai, phát triển từ pin loại H sang pin dòng chảy và cụm điện cực màng, đang cho phép đạt được mật độ dòng điện ở quy mô công nghiệp.
Các kỹ thuật in situ và operando tiên tiến cũng quan trọng không kém—chẳng hạn như quang phổ hồng ngoại, quang phổ Raman, hấp thụ tia X và kính hiển vi điện tử—cho phép theo dõi trực tiếp các chất trung gian xúc tác và quá trình tiến hóa cấu trúc. Cùng với các phương pháp tính toán như lý thuyết hàm mật độ (DFT) và học máy, những công cụ này làm rõ các cơ chế, tối ưu hóa các đường phản ứng và đẩy nhanh quá trình thiết kế chất xúc tác hợp lý. Cùng nhau, những đổi mới này đánh dấu một bước tiến lớn hướng tới tổng hợp điện hóa bền vững và khả thi về mặt kinh tế.
"Các hệ thống điện hóa đồng thời tạo ra hai đầu ra có giá trị đại diện cho một sự thay đổi mô hình cho hóa học xanh", các đồng tác giả là Giáo sư Zhenhai Wen, Giáo sư Hao Zhang và Giáo sư Nianjun Yang cho biết. "Bằng cách kết hợp các giải pháp thay thế OER với các phản ứng khử, chúng ta không chỉ có thể hạ thấp rào cản năng lượng mà còn tạo ra các hóa chất có giá trị cao bên cạnh nhiên liệu sạch. Việc tích hợp các chất xúc tác tiên tiến, kiến trúc điện phân mới và các kỹ thuật đặc tính mạnh mẽ mang đến những cơ hội chưa từng có để thiết kế các quy trình hiệu quả và có khả năng mở rộng. Cách tiếp cận lợi ích kép này rất quan trọng để tiến gần hơn đến một ngành công nghiệp hóa chất thực sự bền vững và tuần hoàn."
Sự phát triển của các hệ thống điện tổng hợp giá trị kép mang lại nhiều hứa hẹn cho năng lượng, môi trường và công nghiệp. Không chỉ giảm phát thải carbon, các hệ thống này còn cho phép sản xuất hydro xanh, nhiên liệu, phân bón và nguyên liệu hóa học với chi phí hiệu quả, giải quyết cả những thách thức về khí hậu và tài nguyên. Việc kết hợp các phản ứng như giảm CO₂ với quá trình oxy hóa cồn hoặc xử lý chất thải mang lại giá trị kinh tế và sinh thái gia tăng.
Về lâu dài, sự kết hợp giữa các chất xúc tác tiên tiến, thiết kế được điều khiển bằng máy tính và các thiết bị điện phân quy mô công nghiệp có thể chuyển đổi sản xuất hóa chất thành một quy trình ít carbon, tiết kiệm năng lượng. Chiến lược này góp phần trực tiếp vào tham vọng phát thải ròng bằng 0 toàn cầu, đồng thời tạo ra những cơ hội mới cho ngành hóa học công nghiệp sử dụng năng lượng tái tạo.
Thông tin thêm: Genxiang Wang và cộng sự, Những tiến bộ trong tổng hợp điện hóa: Mở rộng từ điện phân nước sang các sản phẩm giá trị gia tăng kép, eScience (2025). DOI: 10.1016/j.esci.2024.100333
Được cung cấp bởi Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc
