Đột phá về chất xúc tác mới làm giảm nhu cầu sử dụng bạch kim trong công nghệ hydro xanh
Theo Viện Vật lý Hóa học Đại Liên, Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc
Các electron π bất đối xứng được làm giàu trong chất xúc tác chainmail thúc đẩy quá trình tạo hydro axit. Nguồn: DICP
Các nhà nghiên cứu đã thiết kế một chất xúc tác bọc graphene với mức sử dụng bạch kim cực thấp, mang lại hiệu suất cao, sản xuất hydro quy mô công nghiệp.
Điện phân nước bằng màng trao đổi proton (PEM) đóng vai trò quan trọng trong việc sản xuất hydro xanh trên quy mô lớn. Một trong những vật liệu được sử dụng phổ biến nhất trong quy trình này là Bạch kim trên Carbon (Pt/C), đóng vai trò là chất xúc tác catốt tiên tiến. Sự phổ biến của nó đến từ khả năng liên kết hydro hiệu quả và khả năng chống chịu tốt với môi trường axit. Tuy nhiên, việc sử dụng lượng bạch kim lớn khiến phương pháp này tốn kém và hạn chế việc áp dụng rộng rãi.
Trong nghiên cứu được công bố trên tạp chí Joule, một nhóm nghiên cứu do Giáo sư Dehui Deng và Giáo sư Liang Yu từ Viện Vật lý Hóa học Đại Liên (DICP) thuộc Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc (CAS) dẫn đầu đã hợp tác với Giáo sư Junling Lu từ Đại học Khoa học và Công nghệ Trung Quốc (cũng thuộc CAS) và Giáo sư Hongmei Yu từ DICP. Họ đã cùng nhau phát triển một chất xúc tác mới vừa có hiệu suất cao vừa ổn định để sử dụng trong sản xuất hydro axit.
Sự đổi mới của họ xoay quanh một chất xúc tác “chainmail” độc đáo được làm từ hợp kim nano coban-niken (CoNi) được bao bọc trong một lớp graphene duy nhất. Nhóm nghiên cứu phát hiện ra rằng các electron được chuyển từ hợp kim CoNi sang lớp carbon xung quanh. Quá trình này, kết hợp với tương tác điện tử 3d-2p, khiến bề mặt graphene tích tụ sự phân bố không đều các trạng thái điện tử π, đóng vai trò quan trọng trong việc tăng cường hoạt tính xúc tác.
Sự giam cầm hiệp đồng và độ ổn định của bạch kim
Sau khi lắng đọng các nguyên tử Pt đơn lẻ bằng phương pháp lắng đọng lớp nguyên tử, các electron π bất đối xứng được làm giàu này thể hiện hiệu ứng giam cầm độc đáo trên các nguyên tử Pt.
Sự giam cầm này hoạt động thông qua hai cơ chế hiệp đồng. Sự chuyển electron từ CoNi sang Pt qua lớp graphene tạo ra một vị trí Pt giàu electron, tối ưu hóa năng lượng hấp phụ hydro và thúc đẩy quá trình giải hấp hydro, do đó cải thiện hoạt tính xúc tác. Bên cạnh đó, tương tác mạnh giữa các electron π bất đối xứng và orbital Pt 5d đã tăng cường độ ổn định cấu trúc của các vị trí Pt, tăng cường độ bền của chất xúc tác.
Các nhà nghiên cứu đã lắp ráp một thiết bị điện phân nước PEM sử dụng chất xúc tác này, đạt được mật độ dòng điện cực cao 4,0 A cm−2 ở 2,02 V và duy trì độ bền tuyệt vời trong hơn 1.000 giờ ở 2 A cm−2, chỉ sử dụng 1,2 μgPt cm−2 Pt. Họ cũng đã lắp ráp một máy điện phân nước PEM 2,85 kW sử dụng chất xúc tác này, hoạt động ổn định trong hơn 300 giờ ở mật độ dòng điện công nghiệp 1,5 A cm−2, làm nổi bật tiềm năng ứng dụng công nghiệp vượt trội của nó.
"Công trình này cung cấp một ý tưởng mới để phát triển các chất xúc tác hiệu suất cao, tuổi thọ cao và chi phí thấp cho sản xuất hydro thông qua điện phân nước axit", Giáo sư Deng cho biết.
Tài liệu tham khảo: "Các electron π bất đối xứng làm giàu giới hạn Pt tại một vị trí để tạo ra hydro axit" của Mingxia Xu, Yiran Kang, Leilei Wang, Yunlong Zhang, Guang Jiang, Yafeng Cai, Yunchuan Tu, Qiao Zhao, Jun Chi, Wei Song, Hongmei Yu, Jingting Hu, Wei Liu, Rui Huang, Liang Yu, Junling Lu, Xinhe Bao và Dehui Deng, ngày 28 tháng 5 năm 2025, Joule.
DOI: 10.1016/j.joule.2025.101968
