Đột phá về hydro có thể cách mạng hóa sản xuất kim loại xanh
Ngày: 21 tháng 8 năm 2025
Một nghiên cứu tiên phong từ Đại học Binghamton và Phòng thí nghiệm Quốc gia Brookhaven đang thách thức những giả định đã tồn tại hàng thập kỷ trong lĩnh vực sản xuất kim loại.
Được công bố trên tạp chí Nature, nghiên cứu này làm sáng tỏ sự khác biệt giữa hai loại khí phổ biến được sử dụng để khử oxit kim loại — hydro và carbon monoxide — với những phát hiện có thể định hình lại cách các ngành công nghiệp sản xuất kim loại cho mọi thứ, từ cầu và tòa nhà đến chất bán dẫn và vật liệu lượng tử.
Nghiên cứu cho thấy hydro, thường bị bỏ qua để ưu tiên carbon monoxide, có những lợi thế rõ rệt trong việc đẩy nhanh quá trình khử oxit kim loại đồng thời giảm lượng khí thải carbon. Hiểu biết mới này mở ra cánh cửa cho sản xuất nhanh hơn, sạch hơn và tiết kiệm năng lượng hơn.
"Mục tiêu là thúc đẩy quá trình khử này bằng cách sử dụng ít năng lượng hơn, ở nhiệt độ thấp hơn và với lượng khí thải carbon dioxide tối thiểu", Guangwen Zhou, giáo sư danh dự của SUNY tại Đại học Binghamton, giải thích. Nghiên cứu của chúng tôi cung cấp những hiểu biết sâu sắc có thể giúp định hướng việc lựa chọn khí để tăng tốc động học phản ứng, giúp quá trình chiết xuất kim loại nhanh hơn, sạch hơn và tiết kiệm năng lượng hơn.
Tại sao hydro lại thay đổi cuộc chơi
Theo truyền thống, cả hydro và carbon monoxide đều được coi là chất khử có thể thay thế cho nhau. Tuy nhiên, nhóm của Zhou phát hiện ra rằng các con đường phản ứng của chúng không giống nhau. Khi carbon monoxide được sử dụng để khử niken oxit, một lớp vỏ kim loại mỏng hình thành trên bề mặt, ngăn chặn hoạt động xúc tác và làm chậm phản ứng. Điều này không chỉ làm tăng nhu cầu năng lượng mà còn khóa chặt sự kém hiệu quả.
Hydro hoạt động khác biệt. Nó cho phép các lỗ trống oxy di chuyển sâu hơn vào oxit, cho phép hình thành kim loại khắp bên trong. Bề mặt vẫn hoạt động xúc tác, hỗ trợ các phản ứng liên tục.
“Nếu chúng ta sử dụng hydro, chúng ta có thể tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình này”, Zhou nói. “Đối với các ứng dụng công nghiệp, chúng ta có thể tái tạo chất xúc tác mà không làm gián đoạn quá trình xúc tác.”
Điều quan trọng là hydro tạo ra hơi nước thay vì carbon dioxide — một lợi ích đáng kể cho môi trường.
Ý nghĩa đối với ngành công nghiệp bền vững
Tác động môi trường của việc sử dụng carbon monoxide đang ngày càng được quan tâm, đặc biệt là khi các ngành công nghiệp nặng đang ngày càng bị giám sát chặt chẽ hơn về lượng khí thải carbon. Việc chuyển sang sử dụng hydro có thể cắt giảm đáng kể lượng khí thải đồng thời cải thiện năng suất.
Khả năng của hydro trong việc duy trì hoạt động của chất xúc tác và thậm chí thúc đẩy quá trình tự phục hồi trong một số phản ứng nhất định có thể kéo dài tuổi thọ thiết bị, từ đó giảm chi phí vận hành. Điều này đưa hydro trở thành một yếu tố quan trọng trong ngành luyện kim bền vững.
Judith Yang, một nhà khoa học tại Trung tâm Vật liệu Nano Chức năng của Brookhaven, đã nhấn mạnh sự thay đổi mô hình: "Với những công cụ và hiểu biết mới này, chúng tôi đang phát triển một cách hiểu mới về quá trình khử oxit, vượt ra ngoài những giải thích thông thường vẫn được dạy trong lớp học."
Các công cụ tiên tiến mở ra bí mật nguyên tử
Những phát hiện của nhóm nghiên cứu có được là nhờ các thiết bị tiên tiến tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Brookhaven, bao gồm kính hiển vi điện tử truyền qua môi trường (TEM) có khả năng quan sát các phản ứng từng nguyên tử một theo thời gian thực.
"Chỉ có một số ít công cụ có khả năng như vậy trên toàn quốc", Zhou nói. Khúc xạ tia X đồng bộ bổ sung (XRD) tại Nguồn sáng Đồng bộ Quốc gia II đã cung cấp dữ liệu quy mô lớn, tạo ra bức tranh toàn cảnh về động lực học phản ứng.
Lu Ma, nhà khoa học dẫn đầu về chùm tia tại Brookhaven, lưu ý: "TEM tại chỗ cho thấy quá trình hình thành hạt nhân bắt đầu trên bề mặt hay bên trong ở cấp độ nano, trong khi XRD tổng hợp cung cấp thông tin chi tiết ở quy mô khối. Kết hợp lại, các phương pháp này cung cấp bằng chứng nhất quán trên các thang độ dài khác nhau."
Sự hợp tác lâu dài
Nghiên cứu này được xây dựng dựa trên gần hai thập kỷ hợp tác giữa Đại học Binghamton và Brookhaven. Nhiều sinh viên của Zhou đã có được kinh nghiệm thực hành vô giá tại Brookhaven, làm việc với các thiết bị cực kỳ phức tạp trong một môi trường hỗ trợ.
Nghiên cứu sinh tiến sĩ Xiaobo Chen đã suy ngẫm về quá trình này: "Chúng tôi không thể đảm bảo kết quả mọi lúc, nhưng CFN và NSLS-II là những môi trường thân thiện, nơi chúng tôi có nhiều cơ hội để thử nghiệm."
Công trình này không chỉ thúc đẩy các hoạt động công nghiệp mà còn khơi dậy sự tò mò khoa học và truyền cảm hứng cho đổi mới công nghệ. Yang nhấn mạnh điểm này: "Chính khoa học mà Xiaobo và Giáo sư Zhou đang thực hiện đã thúc đẩy thế hệ phát triển cơ sở hạ tầng tiếp theo."
Hướng tới tương lai
Với việc hoàn thành các nghiên cứu về oxit niken, nhóm của Zhou đang chuyển hướng chú ý sang các kim loại khác, bao gồm oxit đồng và oxit sắt — những vật liệu gợi nhớ đến thời kỳ Đồ Đồng và Đồ Sắt.
Yang nhận thấy mối liên hệ lịch sử này rất thú vị: "Chúng tôi đang tìm thấy sự hấp dẫn mới trong những gì đã định nghĩa các thời đại vật liệu của lịch sử loài người."
Nếu nghiên cứu tiếp tục chứng minh hiệu suất vượt trội của hydro, các ngành công nghiệp có thể thấy một sự thay đổi lớn trong cách tiếp cận sản xuất kim loại. Những lợi ích tiềm năng
— lượng khí thải thấp hơn, mức tiêu thụ năng lượng giảm, thời gian xử lý nhanh hơn và chất xúc tác bền hơn — là những yếu tố quá quan trọng không thể bỏ qua.
Hướng tới một ngành công nghiệp kim loại sạch hơn
Khi áp lực khử cacbon ngày càng gia tăng đối với các ngành công nghiệp, những phát hiện từ Binghamton và Brookhaven không thể kịp thời hơn. Khả năng của hydro trong việc làm cho sản xuất kim loại xanh hơn và hiệu quả hơn có thể đóng vai trò quan trọng trong việc đạt được các mục tiêu phát triển bền vững toàn cầu.
Con đường phía trước sẽ đòi hỏi đầu tư vào cơ sở hạ tầng hydro, điều chỉnh các quy trình công nghiệp và tiếp tục nghiên cứu về các hành vi đặc thù của vật liệu. Nhưng phần thưởng xứng đáng — một ngành công nghiệp kim loại sạch hơn, nhanh hơn và bền vững hơn — mang lại động lực mạnh mẽ cho sự thay đổi.
