Đột phá hydro xanh: Chất xúc tác mới tiết lộ sức mạnh tiềm ẩn của nước
Bởi VIỆN KHOA HỌC HÌNH ẢNH NGÀY 24 THÁNG 6 NĂM 2024
Hydro là nhân tố chính trong nỗ lực khử cacbon cho xã hội chúng ta, nhưng phần lớn sản xuất nó hiện dựa vào các quá trình có nguồn gốc từ nhiên liệu hóa thạch như cải cách khí mêtan, vốn thải ra lượng carbon dioxide đáng kể. Sự phát triển hydro xanh thông qua điện phân nước, đặc biệt là thông qua các công nghệ tiên tiến như màng trao đổi proton (PEM), bị cản trở do nhu cầu về chất xúc tác hiếm như iridium. Tuy nhiên, một bước đột phá mới của các nhà nghiên cứu ICFO sử dụng chất xúc tác không chứa iridium cho thấy hứa hẹn sản xuất hydro xanh bền vững và hiệu quả ở quy mô công nghiệp, có khả năng cách mạng hóa lĩnh vực này. Tín dụng: SciTechDaily.com
Các nhà nghiên cứu đã phát triển một chất xúc tác đột phá không chứa iridium để điện phân nước, mở đường cho việc sản xuất hydro xanh quy mô lớn và bền vững.
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 metan, một loại nhiên liệu hóa thạch, thông qua một quá trình gọi là cải cách khí metan, 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 tạo ra hydro xanh có thể được cung cấp năng lượng từ năng lượng tái tạo và điện sạch. Quá trình này cần các chất xúc tác cực âm và cực dương để đẩy nhanh các phản ứng kém hiệu quả như tách nước và tái hợp tương ứng thành hydro và oxy. Kể từ khi được phát hiện lần đầu vào cuối thế kỷ 18, phương pháp điện phân nước đã phát triển thành nhiều công nghệ khác nhau. Một trong những triển khai hứa hẹn 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.
Đồ họa thông tin giải thích khái niệm về máy điện phân nước PEM, cách thức hoạt động, kỹ thuật mới được nhóm triển khai và kết quả họ thu được. Tín dụng: ICFO
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 loại 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.
Để tìm kiếm các giải pháp khả thi, một nhóm các nhà khoa học gần đây đã thực hiện một bước quan trọng là tìm ra các chất thay thế cho chất xúc tác iridium. Nhóm đa ngành này đã tìm cách phát triển một phương pháp mới để mang lại hoạt tính và độ ổn định cho chất xúc tác không chứa iridium bằng cách khai thác các đặc tính chưa được khám phá cho đến nay của nước. Chất xúc tác mới lần đầu tiên đạt được độ ổn định trong quá trình điện phân nước PEM ở điều kiện công nghiệp mà không cần sử dụng iridium.
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 được dẫn dắt bởi Giáo sư tại ICFO Tiến sĩ F. Pelayo García de Arquer; và bao gồm sự hợp tác quan trọng từ Viện Nghiên cứu Hóa học Catalonia (ICIQ), Viện Khoa học và Công nghệ Catalan (ICN2), Trung tâm Nghiên cứu Khoa học Quốc gia Pháp (CNRS), Nguồn sáng Kim cương và Viện Vật liệu Tiên tiến (INAM) .
Xử lý 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 iridium không chỉ là một thách thức ứng dụng quan trọng mà còn là một thách thức cơ bản. Nghiên cứu chuyên sâu về tìm kiếm chất xúc tác không chứa iridi đã mang đến những hiểu biết mới về cơ chế phản ứng và sự phân hủy, đặc biệt với việc sử dụng các đầu dò có thể nghiên cứu chất xúc tác trong quá trình vận hành kết hợp với mô hình tính toán. Những điều này đã dẫn đến những kết quả đầy hứa hẹn khi sử dụng vật liệu dựa trên mangan và coban oxit, đồng thời khai thác các cấu trúc, thành phần và chất khử khác nhau để thay đổi tính chất hóa lý 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 thể mở rộng quy mô và vận hành ở các điều kiện nhẹ nhàng hơn, khác xa so với ứng dụng cuối cùng, đặc biệt là về mật độ dòng điện. Thể hiện hoạt tính và độ ổn định với chất xúc tác không iridium trong lò phản ứng PEM và ở mức PEM điều kiện hoạt động thích hợp (mật độ dòng điện cao) cho đến nay vẫn còn khó nắm bắt.
Từ trái sang phải: Lu Xia, Ranit Ram và Anku Guha, trong phòng thí nghiệm với thiết bị. Tín dụng: ICFO
Để khắc phục điều này, các nhà nghiên cứu của ICFO, ICIQ, ICN2, CNRS, Diamond Light Source và INAM đã đưa ra một phương pháp mới trong việc thiết kế chất xúc tác không chứa iridium, đạt được hoạt tính và độ ổn định trong môi trường axit. Chiến lược của họ dựa trên coban (rất dồi dào và rẻ), khá khác biệt so với những con đường thông thường.
“Thiết kế chất xúc tác thông thường 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 đầy thách thức này, từ đó cho phép hoạt động ổn định ở mật độ dòng điện cao phù hợp cho các ứng dụng công nghiệp,” Giáo sư García de tại ICFO giải thích. Arquer. Với kỹ thuật của họ, bao gồm quá trình tách lớp trao đổi một phần vật liệu bằng nước, chất xúc tác thu được được coi là chất thay thế khả thi cho chất xúc tác gốc iridium.
Một cách tiếp cận mới: Quá trình tách lớp
Để thu được chất xúc tác, nhóm nghiên cứu đã xem xét một oxit coban cụ thể: oxit coban-vonfram (CoWO4), hay gọi tắt là CWO. Trên vật liệu ban đầu này, họ đã thiết kế một quy trình tách lớp bằng cách sử dụng dung dịch nước cơ bản, trong đó các oxit vonfram (WO42-) sẽ được loại bỏ khỏi mạng và được trao đổi bởi các nhóm nước (H2O) và hydroxyl (OH–) trong môi trường cơ bản. Quá trình này có thể được điều chỉnh để kết hợp các lượng H2O và OH– khác nhau vào chất xúc tác, sau đó chất này sẽ được đưa vào các điện cực anode.
Nhóm 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 các nhóm nước và hydroxyl bị bẫy, 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. Đồng tác giả chính, Tiến sĩ Anku Guha, tiếp tục: “Việc có thể phát hiện ra nước bị mắc 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.
Hình ảnh gia đình ICFO: từ trái sang phải: F. Pelayo García de Arquer, Marinos Dimitropoulos, Lu Xia, Aparna M. Das, Viktoria Holovanova, Anku Guha và Ranit Ram. Tín dụng: ICFO
Từ những hiểu biết sâu sắc này, họ bắt đầu hợp tác chặt chẽ với các cộng tác viên và chuyên gia về mô hình hóa chất xúc tác. “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. Giáo sư Núria López từ ICIQ cho biết, việc hiểu được những vật liệu này đòi hỏi phải lập bản đồ chi tiết giữa các quan sát thử nghiệm và mô phỏng. Các tính toán của họ, dẫn đầu bởi đồng tác giả hàng đầu, Tiến sĩ Hind Benzidi, là rất quan trọng để hiểu làm thế nào các vật liệu tách lớp, được che chắn bởi nước, không chỉ được bảo vệ về mặt nhiệt động chống lại sự hòa tan trong môi trường có tính axit cao mà còn có khả năng hoạt động.
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 tính và độ ổn định cao hơn bất kỳ nghệ thuật nào trước đó. “Chúng tôi đã tăng mật độ dòng điện lên gấp 5 lần, đạt tới 1 A/cm2 – một mốc rất thách thức trong lĩnh vực này. Tuy nhiên, 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 chứa iridium”, đồng tác giả chính, Tiến sĩ Lu Xia chia sẻ.
Ranit Ram, tác giả đầu tiên của nghiên cứu và là người khởi xướng ý tưởng ban đầu, giải thích: “Khi bắt đầu dự án, chúng tôi rất tò mò về vai trò tiềm năng của nước với tư cách là con voi trong phòng trong quá trình điện phân nước”. “Trước đây chưa có ai chủ động điều chỉnh nước và nước tiếp giáp theo cách này.” Cuối cùng, nó hóa ra là một kẻ thay đổi cuộc chơi thực sự.
Mặc dù thời gian ổn định vẫn còn xa so với PEM công nghiệp hiện tại, nhưng điều này thể hiện một bước tiến lớn hướng tới việc khiến chúng không phụ thuộc vào iridium 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 mang lại hiệu quả cao.
nhìn thấy tiềm năng giải quyết vấn đề kỹ thuật xúc tác từ một góc độ khác; bằng cách tích cực khai thác các tính chất 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: “Coban, có nhiều hơn iridium, vẫn là một vật liệu rất đáng lo ngại nếu xét đến nơi nó được lấy. Đó là lý do tại sao chúng tôi đang nghiên cứu các chất thay thế dựa trên mangan, niken và nhiều vật liệu khác. Chúng ta sẽ xem xét toàn bộ bảng tuần hoàn nếu cần thiết. Và chúng tôi sẽ khám phá và thử cùng họ chiến lược mới này để thiết kế các chất xúc tác mà chúng tôi đã báo cáo trong nghiên cứu của mình.”
Bất chấp những thách thức mới chắc chắn sẽ nảy sinh, nhóm nghiên cứu vẫn tin tưởng vào tiềm năng của quá trình tách lớp này và tất cả họ đều quyết tâm theo đuổi mục tiêu này. Đặc biệt, Ram chia sẻ: “Tôi thực sự luôn muốn thúc đẩy năng lượng tái tạo vì nó sẽ giúp cộng đồng nhân loại chúng ta chiến đấu chống lại biến đổi khí hậu. Tôi tin rằng nghiên cứu của chúng tôi đã đóng góp một bước nhỏ theo đúng hướng.”
Tham khảo: “Bẫy nước-hydroxit trong coban tungstate để điện phân nước qua màng trao đổi proton” của Ranit Ram, Lu Xia, Hind Benzidi, Anku Guha, Viktoria Golovanova, Alba Garzón Manjón, David Llorens Rauret, Pol Sanz Berman, Marinos Dimitropoulos, Bernat Mundet , Ernest Pastor, Veronica Celorrio, Camilo A. Mesa, Aparna M. Das, Adrián Pinilla-Sánchez, Sixto Giménez, Jordi Arbiol, Núria López và F. Pelayo García de Arquer, ngày 20 tháng 6 năm 2024, Khoa học.
DOI: 10.1126/science.adk9849
Tài trợ: Ủy ban Châu Âu, Quỹ “la Caixa”, Generalitat de Catalunya, Bộ Khoa học và Đổi mới, Fundación BBVA
Mời các đối tác xem hoạt động của Công ty TNHH Pacific Group.
FanPage: https://www.facebook.com/Pacific-Group
YouTube: https://www.youtube.com/@PacificGroupCoLt