Đột phá trong năng lượng sạch: Tấm nano palladium mở đường cho hydro giá cả phải chăng
Các nhà khoa học phát triển một chất xúc tác nanosheet dựa trên palladium giá rẻ có hiệu suất tương đương với platinum trong sản xuất hydro Ấn phẩm được bình duyệt ngang hàng
Đại học Khoa học Tokyo
Năng lượng hydro đang nổi lên như một động lực chính cho một tương lai sạch, bền vững, cung cấp một giải pháp thay thế không phát thải cho nhiên liệu hóa thạch. Mặc dù đầy hứa hẹn, nhưng việc sản xuất hydro quy mô lớn phụ thuộc rất nhiều vào các chất xúc tác đắt tiền gốc bạch kim, do đó khả năng chi trả vẫn là một thách thức lớn đối với ngành công nghiệp.
Để vượt qua điều này, các nhà nghiên cứu từ Đại học Khoa học Tokyo (TUS) đã phát triển một chất xúc tác tiến hóa hydro mới, bis(diimino)palladium coordinate nanosheets (PdDI), cung cấp hiệu suất giống như platinum với chi phí chỉ bằng một phần nhỏ. Nghiên cứu mang tính đột phá của họ, được công bố vào ngày 28 tháng 11 năm 2024 và được cung cấp trực tuyến vào ngày 27 tháng 1 năm 2025, trong Tập 31, Số 6 của Tạp chí Hóa học – Một Tạp chí Châu Âu , cũng đã được chọn làm “Bài viết trang bìa” cho tạp chí, nêu bật tầm quan trọng của nó trong việc thúc đẩy sản xuất hydro bền vững.
Nghiên cứu được dẫn dắt bởi Tiến sĩ Hiroaki Maeda và Giáo sư Hiroshi Nishihara từ TUS hợp tác với các nhà nghiên cứu nổi tiếng từ Đại học Tokyo, Viện nghiên cứu bức xạ synchrotron Nhật Bản, Viện công nghệ Kyoto, Trung tâm RIKEN SPring-8 và Viện khoa học vật liệu quốc gia Nhật Bản. Phát hiện này đánh dấu bước đột phá trong công nghệ phản ứng giải phóng hydro (HER), một quá trình quan trọng trong sản xuất năng lượng hydro xanh. HER xảy ra trong quá trình phân tách nước bằng điện phân để tạo ra hydro. Các điện cực xúc tác HER, theo truyền thống được làm bằng bạch kim, tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình chuyển đổi hydro mới sinh ([H]) - được tạo ra ở bề mặt điện cực trong quá trình phân tách nước - thành khí hydro (H₂). Mặc dù bạch kim (Pt) là chất xúc tác HER có hiệu quả cao, nhưng tình trạng khan hiếm và chi phí cao của nó làm tăng đáng kể chi phí sản xuất, hạn chế ứng dụng quy mô lớn.
Sử dụng quy trình tổng hợp đơn giản và lượng kim loại quý hạn chế, nhóm nghiên cứu đã đưa ra một giải pháp thay thế hiệu quả cao cho chất xúc tác Pt. Nhóm đã chế tạo các tấm nano dựa trên palladium có thể tối đa hóa hoạt động xúc tác trong khi giảm thiểu việc sử dụng kim loại, giúp giảm đáng kể chi phí liên quan đến sản xuất H₂.
nhà nghiên cứu chính, Tiến sĩ Maeda , cho biết ,
Phát triển các chất xúc tác điện HER hiệu quả là chìa khóa để sản xuất H₂ bền vững. Các tấm nano phối hợp kim loại bis(diimino), với độ dẫn điện cao, diện tích bề mặt lớn và khả năng truyền electron hiệu quả, là những ứng cử viên đầy hứa hẹn,
“ Ngoài ra, sự sắp xếp kim loại thưa thớt của chúng làm giảm việc sử dụng vật liệu. Ở đây, chúng tôi đã phát triển thành công các tấm nano này bằng cách sử dụng kim loại palladium.”
Nhóm nghiên cứu đã phát triển các tấm nano PdDI (C-PdDI và E-PdDI) bằng hai phương pháp khác nhau: tổng hợp giao diện khí-lỏng và oxy hóa điện hóa. Sau khi trải qua quá trình hoạt hóa, các tấm E-PdDI thể hiện điện thế quá thấp là 34 mV cũng như điện thế quá của bạch kim là 35 mV, điều này có nghĩa là rất ít năng lượng bổ sung được yêu cầu để thúc đẩy quá trình sản xuất hydro. Mật độ dòng trao đổi là 2,1 mA/cm² cũng phù hợp với hiệu suất xúc tác của bạch kim. Do đó, kết quả đưa E-PdDI vào danh sách các chất xúc tác HER hiệu quả nhất được phát triển cho đến nay, khiến nó trở thành một giải pháp thay thế đầy hứa hẹn với chi phí thấp cho bạch kim.
Một trong những khía cạnh quan trọng của bất kỳ chất xúc tác nào là tính ổn định lâu dài của nó. Các tấm nano PdDI này đã chứng minh được độ bền tuyệt vời, vẫn còn nguyên vẹn sau 12 giờ trong điều kiện axit, xác nhận tính phù hợp của chúng đối với các hệ thống sản xuất hydro trong thế giới thực.
Tiến sĩ Maeda giải thích:
Nghiên cứu của chúng tôi đưa chúng tôi tiến gần hơn một bước tới mục tiêu sản xuất H₂ giá cả phải chăng và bền vững hơn, một bước quan trọng để đạt được tương lai năng lượng sạch,
Hơn nữa, bằng cách giảm thiểu sự phụ thuộc vào bạch kim khan hiếm và đắt đỏ, các tấm nano PdDI phù hợp với các Mục tiêu Phát triển Bền vững (SDG) của Liên hợp quốc: SDG 7—thúc đẩy năng lượng sạch và giá cả phải chăng, SDG 9—công nghiệp, đổi mới và cơ sở hạ tầng. Ý nghĩa của nghiên cứu này vượt ra ngoài các thí nghiệm trong phòng thí nghiệm. Khả năng mở rộng, hoạt động được tăng cường và hiệu quả về chi phí của các tấm nano PdDI khiến chúng trở nên cực kỳ hấp dẫn đối với sản xuất hydro công nghiệp, pin nhiên liệu hydro và hệ thống lưu trữ năng lượng quy mô lớn.
Ngoài ra, việc thay thế chất xúc tác gốc platinum bằng PdDI có thể làm giảm lượng khí thải liên quan đến khai thác, đẩy nhanh quá trình chuyển đổi sang nền kinh tế hydro bền vững. Ngoài ra, mật độ của các nguyên tử palladium ít hơn mười lần so với các nguyên tử Pt, làm giảm sự phụ thuộc vào kim loại Pt quý và hướng đến sản xuất điện cực hiệu quả về mặt chi phí. Việc thay thế Pt bằng các tấm nano PdDI dự kiến sẽ tạo ra những kết quả tuyệt vời trong ngành ô tô, sản xuất hydro và cung cấp điện cực.
Khi nghiên cứu tiến triển, nhóm nghiên cứu tại TUS đặt mục tiêu tối ưu hóa hơn nữa các tấm nano PdDI để thương mại hóa, góp phần vào sự phát triển của một xã hội hydro thân thiện với môi trường.
Đột phá trong năng lượng sạch: Tấm nano palladium mở đường cho hydro giá cả phải chăng
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
