Đột phá hydro xanh – Chất xúc tác mới tiết lộ sức mạnh tiềm ẩn của nước

Đột phá hydro xanh - Chất xúc tác mới tiết lộ sức mạnh tiềm ẩn của nước.

Hydro là một yếu tố chủ chốt trong nỗ lực khử cacbon cho xã hội của chúng ta, nhưng hầu hết quá trình sản xuất hydro hiện nay đều dựa vào các quy trình có nguồn gốc từ nhiên liệu hóa thạch như quá trình cải cách mêtan, thải ra một lượng lớn carbon dioxide. Việc phát triển hydro xanh thông qua quá trình điện phân nước, đặc biệt là thông qua các công nghệ tiên tiến như màng trao đổi proton (PEM), bị cản trở bởi nhu cầu về các chất xúc tác hiếm như iridi. Tuy nhiên, một bước đột phá mới của các nhà nghiên cứu ICFO sử dụng chất xúc tác không chứa iridi cho thấy triển vọng sản xuất hydro xanh bền vững và hiệu quả ở quy mô công nghiệp, có khả năng cách mạng hóa lĩnh vực này.

Các nhà nghiên cứu đã phát triển một chất xúc tác đột phá không chứa iridi cho quá trình điện phân nước, mở đường cho việc sản xuất hydro xanh bền vững và quy mô lớn.

Hydro mang lại tiềm năng đáng kể với vai trò là chất mang hóa chất và năng lượng cho xã hội khử cacbon. Không giống như nhiên liệu truyền thống, sử dụng hydro không tạo ra carbon dioxide. Tuy nhiên, hầu hết hydro hiện được sản xuất đều có nguồn gốc từ khí mê-tan, một loại nhiên liệu hóa thạch, thông qua một quá trình gọi là cải cách khí mê-tan, không may lại thải ra một lượng đáng kể carbon dioxide. Do đó, việc phát triển các giải pháp thay thế có thể mở rộng để sản xuất hydro xanh là điều cần thiết.

Điện phân nước mở ra một con đường để tạo ra hydro xanh có thể được cung cấp năng lượng bằng năng lượng tái tạo và điện sạch. Quá trình này cần chất xúc tác catốt và anot để đẩy nhanh các phản ứng không hiệu quả của quá trình phân tách nước và tái hợp thành hydro và oxy. Từ khi được phát hiện sớm vào cuối thế kỷ 18 ^,  điện phân nước đã phát triển thành nhiều công nghệ khác nhau. Một trong những ứng dụng triển vọng nhất của điện phân nước là màng trao đổi proton (PEM), có thể tạo ra hydro xanh bằng cách kết hợp tốc độ cao và hiệu suất năng lượng cao.

Cho đến nay, quá trình điện phân nước, và đặc biệt là PEM, cần có chất xúc tác dựa trên các nguyên tố hiếm, khan hiếm, chẳng hạn như bạch kim và iridium, cùng nhiều nguyên tố khác. Chỉ có một số hợp chất kết hợp được hoạt tính cần thiết và độ ổn định ở môi trường hóa học khắc nghiệt do phản ứng này tạo ra. Điều này đặc biệt khó khăn trong trường hợp chất xúc tác anode phải hoạt động trong môi trường axit có tính ăn mòn cao – điều kiện mà chỉ có oxit iridium mới thể hiện hoạt động ổn định ở các điều kiện công nghiệp cần thiết. Nhưng iridium là một trong những nguyên tố khan hiếm nhất trên trái đất.

Trong quá trình tìm kiếm các giải pháp khả thi, một nhóm các nhà khoa học gần đây đã thực hiện một bước quan trọng để tìm ra các giải pháp thay thế cho chất xúc tác iridi. Nhóm đa ngành này đã phát triển được một phương pháp mới để truyền hoạt tính và độ ổn định cho chất xúc tác không chứa iridi bằng cách khai thác các đặc tính chưa được khám phá của nước. Chất xúc tác mới này đạt được độ ổn định lần đầu tiên trong quá trình điện phân nước PEM ở điều kiện công nghiệp mà không cần sử dụng iridi.

Bước đột phá này, được công bố trên  tạp chí Science , được thực hiện bởi các nhà nghiên cứu ICFO Ranit Ram, Tiến sĩ Lu Xia, Tiến sĩ Anku Guha, Tiến sĩ Viktoria Golovanova, Tiến sĩ Marinos Dimitropoulos, Aparna M. Das và Adrián Pinilla-Sánchez, và do Giáo sư tại ICFO Tiến sĩ F. Pelayo García de Arquer đứng đầu; và bao gồm sự hợp tác quan trọng từ Viện Nghiên cứu Hóa học Catalonia (ICIQ), Viện Khoa học và Công nghệ Catalan (ICN ₂ ), Trung tâm Nghiên cứu Khoa học Quốc gia Pháp (CNRS), Nguồn sáng Kim cương và Viện Vật liệu Tiên tiến (INAM).

Đối phó với tính axit

Việc kết hợp hoạt động và sự ổn định trong môi trường có tính axit cao là một thách thức. Kim loại từ chất xúc tác có xu hướng hòa tan, vì hầu hết các vật liệu không ổn định nhiệt động ở độ pH và điện thế ứng dụng thấp trong môi trường nước. Các oxit iridium kết hợp hoạt tính và tính ổn định ở những điều kiện khắc nghiệt này và đó là lý do tại sao chúng là lựa chọn phổ biến làm cực dương trong điện phân nước trao đổi proton.

Việc tìm kiếm các chất thay thế cho iridi không chỉ là một thách thức ứng dụng quan trọng mà còn là một thách thức cơ bản. Nghiên cứu chuyên sâu về việc tìm kiếm các chất xúc tác không phải iridi đã dẫn đến những hiểu biết mới về cơ chế phản ứng và sự phân hủy, đặc biệt là với việc sử dụng các đầu dò có thể nghiên cứu các chất xúc tác trong quá trình vận hành kết hợp với các mô hình tính toán. Những điều này dẫn đến kết quả đầy hứa hẹn khi sử dụng các vật liệu gốc oxit mangan và coban, và khai thác các cấu trúc, thành phần và chất pha tạp khác nhau để thay đổi các đặc tính lý hóa của chất xúc tác.

Mặc dù sâu sắc nhưng hầu hết các nghiên cứu này đều được thực hiện trong  các lò phản ứng cơ bản  không có khả năng mở rộng và vận hành ở  các điều kiện mềm hơn  , xa ứng dụng cuối cùng, đặc biệt là về mật độ dòng điện. Việc chứng minh hoạt động và tính ổn định với các chất xúc tác không chứa iridium trong lò phản ứng PEM và ở các điều kiện vận hành liên quan đến PEM (mật độ dòng điện cao) cho đến nay vẫn còn khó nắm bắt.

Để khắc phục điều này, các nhà nghiên cứu ICFO, ICIQ, ICN ₂ , CNRS, Diamond Light Source và INAM đã đưa ra một cách tiếp cận mới trong thiết kế chất xúc tác không phải iridi, đạt được hoạt động và độ ổn định trong môi trường axit. Chiến lược của họ, dựa trên coban (rất phong phú và rẻ), khá khác biệt so với các con đường thông thường.

García de Arquer,  Giáo sư tại ICFO, cho biết:

Thiết kế chất xúc tác thông thường tập trung vào việc thay đổi thành phần hoặc cấu trúc của vật liệu được sử dụng.

“Ở đây, chúng tôi đã thực hiện một cách tiếp cận khác. Chúng tôi đã thiết kế một loại vật liệu mới có sự tham gia tích cực của các thành phần phản ứng (nước và các mảnh của nó) vào cấu trúc của nó. Chúng tôi nhận thấy rằng việc kết hợp nước và các mảnh nước vào cấu trúc xúc tác có thể được điều chỉnh để bảo vệ chất xúc tác ở những điều kiện khó khăn này, từ đó cho phép hoạt động ổn định ở mật độ dòng điện cao phù hợp cho các ứng dụng công nghiệp.”

Với kỹ thuật của họ, bao gồm quá trình tách lớp trao đổi một phần vật liệu bằng nước, chất xúc tác thu được là một giải pháp thay thế khả thi cho chất xúc tác gốc iridi.

Một cách tiếp cận mới: Quá trình tách lớp

Để có được chất xúc tác, nhóm nghiên cứu đã xem xét một oxit coban cụ thể: oxit coban-vonfram (CoWO ₄ ), hay viết tắt là CWO. Trên vật liệu ban đầu này, họ đã thiết kế một quy trình tách lớp sử dụng dung dịch nước kiềm, theo đó oxit vonfram (WO ₄ ^2- ) sẽ được loại bỏ khỏi mạng và được trao đổi bằng nhóm nước (H ₂ O) và hydroxyl (OH ^– ) trong môi trường kiềm. Quy trình này có thể được điều chỉnh để kết hợp các lượng H ₂ O và OH ^– khác nhau  vào chất xúc tác, sau đó sẽ được kết hợp vào các điện cực anot.

Nhóm nghiên cứu đã kết hợp các phương pháp quang phổ dựa trên photon khác nhau để hiểu loại vật liệu mới này trong quá trình hoạt động. Bằng cách sử dụng tia hồng ngoại Raman và tia X, cùng với các tia khác, họ có thể đánh giá sự hiện diện của  nước và nhóm hydroxyl bị giữ lại  , đồng thời hiểu rõ hơn về vai trò của chúng trong việc mang lại hoạt động và tính ổn định cho quá trình phân tách nước trong axit.

Tiến sĩ Anku Guha , đồng tác giả chính, cho biết:

Việc phát hiện ra nước bị kẹt thực sự là một thách thức đối với chúng tôi.

“Sử dụng quang phổ Raman và các kỹ thuật dựa trên ánh sáng khác, cuối cùng chúng tôi thấy rằng có nước trong mẫu. Nhưng đó không phải là nước “tự do”, đó là nước bị hạn chế”; một cái gì đó có tác động sâu sắc đến hiệu suất.

Từ những hiểu biết này, họ bắt đầu làm việc chặt chẽ với các cộng sự và chuyên gia về mô hình hóa chất xúc tác.

Giáo sư Núria López  từ ICIQ. Các tính toán của họ, do đồng tác giả chính là Tiến sĩ Hind Benzidi dẫn đầu, đóng vai trò quan trọng trong việc hiểu cách các vật liệu bị tách lớp, được bảo vệ bằng nước, không chỉ được bảo vệ về mặt nhiệt động lực học chống lại sự hòa tan trong môi trường có tính axit cao mà còn hoạt động.

Việc mô hình hóa các vật liệu kích hoạt gặp nhiều thách thức khi diễn ra quá trình sắp xếp lại cấu trúc lớn.

“Trong trường hợp này, quá trình tách lớp được sử dụng trong quá trình xử lý kích hoạt sẽ làm tăng số lượng vị trí hoạt động và thay đổi cơ chế phản ứng khiến vật liệu hoạt động mạnh hơn. Để hiểu được những vật liệu này đòi hỏi phải lập bản đồ chi tiết giữa các quan sát thử nghiệm và mô phỏng.”

Nhưng, làm thế nào điều này có thể xảy ra? Về cơ bản, việc loại bỏ oxit vonfram sẽ để lại một lỗ hổng, chính xác ở vị trí trước đây của nó. Đây là nơi “điều kỳ diệu” xảy ra: nước và hydroxit, hiện diện rất nhiều trong môi trường, tự động lấp đầy khoảng trống. Điều này lại che chắn mẫu vì nó khiến quá trình hòa tan coban trở thành một quá trình không thuận lợi, giữ các thành phần xúc tác lại với nhau một cách hiệu quả.

Sau đó, họ lắp ráp chất xúc tác đã tách lớp vào lò phản ứng PEM. Hiệu suất ban đầu thực sự đáng chú ý, đạt được hoạt động và độ ổn định cao hơn bất kỳ kỹ thuật nào trước đây.

Tiến sĩ Lu Xia , đồng tác giả chính, cho biết:

Chúng tôi đã tăng mật độ dòng điện lên gấp 5 lần, đạt tới 1 A/cm ²  – một mốc rất thách thức trong lĩnh vực này.

“Nhưng, điều quan trọng là chúng tôi cũng đạt được hơn 600 giờ ổn định ở mật độ cao như vậy. Vì vậy, chúng tôi đã đạt được mật độ dòng điện cao nhất và cũng là độ ổn định cao nhất đối với chất xúc tác không phải iridi,”

Ranit Ram,  tác giả đầu tiên của nghiên cứu và là người khởi xướng ý tưởng ban đầu, cho biết:

Khi bắt đầu dự án, chúng tôi rất tò mò về vai trò tiềm tàng của nước như một  con voi trong phòng  trong quá trình điện phân nước.

“Chưa có ai trước đây chủ động điều chỉnh nước và nước giao diện theo cách này.” Cuối cùng, nó đã trở thành một bước ngoặt thực sự.

Mặc dù thời gian ổn định vẫn còn xa so với PEM công nghiệp hiện tại, nhưng đây là một bước tiến lớn hướng tới việc khiến chúng không phụ thuộc vào iridi hoặc các nguyên tố tương tự. Đặc biệt, công trình của họ mang lại những hiểu biết mới về thiết kế PEM điện phân nước, vì nó làm nổi bật tiềm năng giải quyết kỹ thuật xúc tác từ một góc độ khác; bằng cách khai thác tích cực các đặc tính của nước.

Hướng tới công nghiệp hóa

Nhóm nghiên cứu đã nhìn thấy tiềm năng của kỹ thuật này nên họ đã nộp đơn xin cấp bằng sáng chế với mục đích nhân rộng nó lên cấp độ sản xuất của ngành. Tuy nhiên, họ nhận thức được tầm quan trọng của việc thực hiện bước này, như Giáo sư García de Arquer lưu ý