Đột phá trong năng lượng sạch: Tấm nano palladium mở đường cho hydro giá cả phải chăng
Các nhà khoa học phát triển chất xúc tác tấm nano palladium giá rẻ có hiệu suất ngang bằng với platinum trong sản xuất hydro
Năng lượng hydro đang nổi lên như một động lực chính cho tương lai sạch, bền vững, cung cấp 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 chất xúc tác platinum đắt tiền, do đó khả năng chi trả vẫn là 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 phối hợp 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 do Tiến sĩ Hiroaki Maeda và Giáo sư Hiroshi Nishihara từ TUS dẫn đầu với sự hợp tác của 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 tiến hóa 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 tính khan hiếm và chi phí cao của nó làm tăng đáng kể chi phí sản xuất, hạn chế ứng dụng quy mô lớn của nó.
Sử dụng quy trình tổng hợp đơn giản và số 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 paladi 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.
"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", Tiến sĩ Maeda, nhà nghiên cứu chính, cho biết. "Ngoài ra, sự sắp xếp kim loại thưa thớt của chúng giúp giảm lượng vật liệu sử dụng. Ở đây, chúng tôi đã phát triển thành công các tấm nano này bằng cách sử dụng kim loại paladi".
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 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. "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", Tiến sĩ Maeda giải thích.
Hơn nữa, bằng cách giảm thiểu sự phụ thuộc vào bạch kim khan hiếm và tốn kém, 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―ngành 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 bạch kim 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 paladi ít hơn mười lần so với các nguyên tử Pt, giúp giảm sự phụ thuộc vào kim loại Pt quý và hướng tới sản xuất điện cực tiết kiệm chi phí. Việc thay thế Pt bằng các tấm nano PdDI dự kiến sẽ mang lại kết quả tuyệt vời trong ngành ô tô, sản xuất hydro và cung cấp điện cực.
Khi nghiên cứu tiến triển, nhóm 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 xã hội hydro thân thiện với môi trường.
Tiêu đề hình ảnh: Chất xúc tác hoạt tính cao cho phản ứng tạo hydro (HER)
Chú thích hình ảnh: Các nhà nghiên cứu phát triển chất xúc tác hoạt tính cao để thay thế chất xúc tác gốc platin nhằm sản xuất hydro với giá cả phải chăng.
Nguồn hình ảnh: Hiroaki Maeda từ Đại học Khoa học Tokyo, Nhật Bản
Loại giấy phép: Nội dung gốc
Hạn chế sử dụng: Phải ghi rõ nguồn tác giả.
Tham khảo
Tiêu đề bài báo gốc: Tổng hợp các tấm nano Bis(diimino)palladium làm chất xúc tác điện hoạt tính cao cho phản ứng tạo hydro
Tạp chí: Hóa học - Tạp chí Châu Âu
DOI: 10.1002/chem.202403082
Giới thiệu về Đại học Khoa học Tokyo
Đại học Khoa học Tokyo (TUS) là một trường đại học nổi tiếng và được kính trọng, đồng thời là trường đại học nghiên cứu tư thục chuyên ngành khoa học lớn nhất Nhật Bản, có bốn cơ sở tại trung tâm Tokyo và các vùng ngoại ô và tại Hokkaido. Được thành lập vào năm 1881, trường đại học này liên tục đóng góp vào sự phát triển khoa học của Nhật Bản thông qua việc truyền tình yêu khoa học cho các nhà nghiên cứu, kỹ thuật viên và nhà giáo dục.
Với sứ mệnh "Tạo ra khoa học và công nghệ cho sự phát triển hài hòa của thiên nhiên, con người và xã hội", TUS đã thực hiện nhiều nghiên cứu từ khoa học cơ bản đến khoa học ứng dụng. TUS đã áp dụng phương pháp tiếp cận đa ngành để nghiên cứu và tiến hành nghiên cứu chuyên sâu trong một số lĩnh vực quan trọng nhất hiện nay. TUS là một nền giáo dục trọng dụng nhân tài, nơi những người giỏi nhất trong khoa học được công nhận và nuôi dưỡng. Đây là trường đại học tư thục duy nhất tại Nhật Bản đã đào tạo ra người đoạt giải Nobel và là trường đại học tư thục duy nhất tại Châu Á đào tạo ra những người đoạt giải Nobel trong lĩnh vực khoa học tự nhiên.
■ Đại học Khoa học Tokyo (Giới thiệu về TUS)
■ Danh sách nghiên cứu
■ Danh sách thông cáo báo chí
Giới thiệu về Phó giáo sư Hiroaki Maeda từ Đại học Khoa học Tokyo
Tiến sĩ Hiroaki Maeda là nhà nghiên cứu hàng đầu về hóa học phối hợp và điện hóa học, hiện đang giữ chức Phó giáo sư tại Viện nghiên cứu khoa học và công nghệ, Đại học Khoa học Tokyo. Ông đã lấy bằng Tiến sĩ Khoa học tại Đại học Tokyo và từ đó đã có những đóng góp đáng kể cho các lĩnh vực điện hóa học và hóa học phối hợp. Với thành tích ấn tượng với 53 ấn phẩm được trọng tài, 57 bài thuyết trình tại hội nghị và năm bằng sáng chế, nghiên cứu của Tiến sĩ Maeda đã được công nhận rộng rãi trong thế giới điện hóa học.
Trang web chính thức của TUS
Về Giáo sư Hiroshi Nishihara từ Đại học Khoa học Tokyo
Trang web phòng thí nghiệm
Trang web chính thức của TUS
Thông tin tài trợ
Công trình này được hỗ trợ tài chính bởi JSPS KAKENHI (Số tài trợ: JP19H05460, 22K14569, 22K05055 và 24H00468) và White Rock Foundation.
