Các nhà nghiên cứu đã phát triển một chất xúc tác không chứa iridi đột phá để điện phân nước, mở đường cho sản xuất hydro xanh bền vững và quy mô lớn.
Hydro là một nhân tố quan trọng trong nỗ lực khử cacbon trong xã hội của chúng ta, nhưng hầu hết việc sản xuất của nó hiện đang dựa vào các quá trình có nguồn gốc từ nhiên liệu hóa thạch như cải cách metan, thải ra carbon dioxide đáng kể. Sự phát triển của 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 bởi nhu cầu về các chất xúc tác hiếm như iridi. Tuy nhiên, một bước đột phá mới của các nhà nghiên cứu ICFO sử dụng chất xúc tác không chứa iridi 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
Hydro mang lại tiềm năng đáng kể như một chất mang hóa học và năng lượng để khử cacbon cho xã hội. Không giống như nhiên liệu truyền thống, sử dụng hydro không tạo ra carbon dioxide. Tuy nhiên, hầu hết hydro hiện đang được sản xuất có nguồn gốc từ metan, một loại nhiên liệu hóa thạch, thông qua một quá trình gọi là cải cách metan, không may thải ra một lượng carbon dioxide đáng kể. 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 cung cấp một con đường để tạo ra hydro xanh có thể được cung cấp 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 không hiệu quả khác của việc tách nước và tái tổ hợp thành hydro và oxy, tương ứng. Từ phát hiện ban đầu của nó vào cuối năm 18thứ Thế kỷ, điện phân nước đã trưởng thành thành các 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 quả năng lượng cao.
Infograph giải thích khái niệm về máy điện phân nước PEM, cách thức hoạt động, kỹ thuật mới được nhóm thực hiện và kết quả họ thu được. Tín dụng: ICFO
Cho đến nay, điện phân nước, và đặc biệt là PEM, đã yêu cầu các chất xúc tác dựa trên các nguyên tố hiếm, khan hiếm, chẳng hạn như bạch kim và iridi, trong số những nguyên tố khác. Chỉ có một vài hợp chất kết hợp hoạt động cần thiết và ổn định tại môi trường hóa học khắc nghiệt do phản ứng này áp đặt. Điều này đặc biệt khó khăn trong trường hợp các chất xúc tác cực dương, phải hoạt động ở môi trường axit ăn mòn cao - điều kiện chỉ có các oxit iridi cho thấy 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 để tìm ra các chất thay thế cho chất xúc tác iridi. Nhóm nghiên cứu đa ngành này đã quản lý để phát triển một cách mới để trao hoạt động và sự ổn định cho chất xúc tác không có iridi bằng cách khai thác các tính chất chưa được khám phá cho đến nay của nước. Chất xúc tác mới lần đầu tiên đạt được sự ổn định trong điện phân nước PEM ở điều kiện công nghiệp mà không cần sử dụng iridi.
Bước đột phá này, được công bố trên tạp chí Science, đã 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 dẫn đầu bởi Giáo sư tại ICFO Tiến sĩ F. Pelayo García de Arquer; và bao gồm các 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).
Đối phó với độ axit
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 lực học ở pH thấp và tiềm năng ứng dụng, trong môi trường nước. Các oxit iridi kết hợp hoạt động và tính ổn định ở những điều kiện khắc nghiệt này, và đó là lý do tại sao chúng là lựa chọn phổ biến cho cực dương trong điện phân nước trao đổi proton.
Việc tìm kiếm các lựa chọn thay thế cho iridi không chỉ là một thách thức ứng dụng quan trọng, mà còn là một thách thức cơ bản. Nghiên cứu chuyên sâu về việc tìm kiếm các chất xúc tác không phải iridi đã dẫn đến những hiểu biết mới về cơ chế phản ứng và sự thoái hóa, đặc biệt là với việc sử dụng các đầu dò có thể nghiên cứu các chất xúc tác trong quá trình hoạt động kết hợp với các mô hình tính toán. Những điều này dẫn đến kết quả đầy hứa hẹn bằng cách sử dụng các vật liệu dựa trên mangan và coban oxit, và khai thác các cấu trúc, thành phần và dopants khác nhau, để sửa đổi các tính chất hóa lý của các chất xúc tác.
Mặc dù sâu sắc, hầu hết các nghiên cứu này được thực hiện trong các lò phản ứng cơ bản không thể mở rộng và hoạt động ở điều kiện mềm hơn khác xa với ứng dụng cuối cùng, đặc biệt là về mật độ hiện tại. Chứng minh hoạt động và tính ổn định với các chất xúc tác không iridi trong các lò phản ứng PEM và ở các điều kiện hoạt động liên quan đến PEM (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, ICFO, ICIQ, ICN2Các nhà nghiên cứu CNRS, Diamond Light Source và INAM đã đưa ra một cách tiếp cận mới trong việc thiết kế các chất xúc tác không iridi, đạt được hoạt động và độ ổn định trong môi trường axit. Chiến lược của họ, dựa trên coban (rất phong phú và rẻ), hoàn toàn khác với các con đường thông thường.
"Thiết kế chất xúc tác thông thường thường tập trung vào việc thay đổi thành phần hoặc cấu trúc của các vật liệu được sử dụng. Ở đây, chúng tôi đã thực hiện một cách tiếp cận khác. Chúng tôi đã thiết kế một vật liệu mới liên quan tích cực đến các thành phần của phản ứng (nước và các mảnh vỡ của nó) trong cấu trúc của nó. Chúng tôi thấy rằng việc kết hợp các mảnh nước và nước vào cấu trúc chất xúc tác có thể được điều chỉnh để che chắn chất xúc tác ở những điều kiện đầy thách thức này, do đó cho phép hoạt động ổn định ở mật độ dòng điện cao có liên quan đến các ứng dụng công nghiệp, "Giáo sư tại ICFO, García de Arquer giải thích. Với kỹ thuật của họ, bao gồm một quá trình phân tách trao đổi một phần vật liệu bằng nước, chất xúc tác thu được thể hiện như một sự thay thế khả thi cho các chất xúc tác dựa trên iridi.
Một cách tiếp cận mới: Quá trình phân tách
Để có được chất xúc tác, nhóm nghiên cứu đã xem xét một oxit coban cụ thể: oxit coban-vonfram (CoWO4), hay nói ngắn gọn là CWO. Trên vật liệu ban đầu này, họ đã thiết kế một quy trình phân tách bằng cách sử dụng các dung dịch nước cơ bản, theo đó các oxit vonfram (WO42-) sẽ được lấy ra khỏi mạng tinh thể và trao đổi bằng nước (H2O) và hydroxyl (OH–) nhóm trong một môi trường cơ bản. Quá trình này có thể được điều chỉnh để kết hợp các lượng H khác nhau2O và OH– vào chất xúc tác, sau đó sẽ được tích hợp vào các điện cực dương.
Nhóm nghiên cứu đã kết hợp các quang phổ dựa trên photon khác nhau để hiểu loại vật liệu mới này trong quá trình hoạt động. Sử dụng tia hồng ngoại Raman và tia X, trong số những người khác, họ có thể đánh giá sự hiện diện của các nhóm nước và hydroxyl bị mắc kẹt, và để có được những hiểu biết sâu sắc về vai trò của chúng trong hoạt động và tính ổn định cho sự phân tách nước trong axit. "Có thể phát hiện nước bị mắc kẹt thực sự là một thách thức đối với chúng tôi", đồng tác giả hàng đầu, Tiến sĩ Anku Guha tiếp tục. "Sử dụng quang phổ Raman và các kỹ thuật dựa trên ánh sáng khác, cuối cùng chúng tôi đã thấy rằng có nước trong mẫu. Nhưng đó không phải là nước "tự do", đó là nước 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 này, họ bắt đầu làm việc chặt chẽ với các cộng tác viên và chuyên gia trong mô hình hóa chất xúc tác. "Việc mô hình hóa các vật liệu hoạt tính là một thách thức khi sắp xếp lại cấu trúc lớn diễn ra. Trong trường hợp này, sự phân tách được sử dụng trong xử lý kích hoạt làm tăng số lượng vị trí hoạt động và thay đổi cơ chế phản ứng làm cho vật liệu hoạt động mạnh hơn. Hiểu được những vật liệu này đòi hỏi một bản đồ chi tiết giữa các quan sát thực nghiệm và mô phỏng, "Giáo sư Núria López từ ICIQ nói. Các tính toán của họ, dẫn đầu bởi một đồng tác giả hàng đầu, Tiến sĩ Hind Benzidi, rất quan trọng để hiểu làm thế nào các vật liệu bị phân tách, được che chắn bởi nước, không chỉ được bảo vệ nhiệt động lực học chống hòa tan trong môi trường axit cao mà còn hoạt động.
Nhưng, điều này sao có thể? Về cơ bản, việc loại bỏ oxit vonfram để lại một lỗ phía sau, chính xác nơi nó được đặt trước đó. Đây là nơi "ma thuật" xảy ra: nước và hydroxit, có mặt rất nhiều trong môi trường, tự nhiên lấp đầy khoảng trống. Điều này lần lượt che chắn mẫu, vì nó làm cho sự 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 bị phân tách vào lò phản ứng PEM. Màn trình diễn ban đầu thực sự đáng chú ý, đạt được hoạt động và độ ổn định cao hơn bất kỳ nghệ thuật nào trước đó. "Chúng tôi đã tăng gấp năm lần mật độ hiện tại, đạt tới 1 A / cm2 – một cột mốc rất thách thức trong lĩnh vực này. Nhưng, 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 đến mật độ dòng điện cao nhất và cũng là độ ổn định cao nhất cho các chất xúc tác không iridi", đồng tác giả hàng đầu, Tiến sĩ Lu Xia chia sẻ.
"Khi bắt đầu dự án, chúng tôi đã bị hấp dẫn về vai trò tiềm năng của nước như con voi trong phòng trong quá trình điện phân nước", Ranit Ram, tác giả đầu tiên của nghiên cứu và là người khởi xướng ý tưởng ban đầu giải thích. "Không ai trước đây đã chủ động điều chỉnh nước và nước giao thoa theo cách này." Cuối cùng, nó hóa ra là một người thay đổi cuộc chơi thực sự.
Mặc dù thời gian ổn định vẫn còn xa so với các PEM công nghiệp hiện tại, điều này thể hiện một bước tiến lớn để làm cho chúng không phụ thuộc vào iridi hoặc các yếu tố tương tự. Đặc biệt, công việc của họ mang lại những hiểu biết mới cho thiết kế PEM điện phân nước, vì nó làm nổi bật tiềm năng giải quyết kỹ thuật xúc tác từ một góc độ khác; bằng cách chủ động khai thác các tính chất của nước.
Hướng tới công nghiệp hóa
Nhóm nghiên cứu đã nhìn thấy tiềm năng trong kỹ thuật mà họ đã nộp đơn xin cấp bằng sáng chế, với mục đích mở rộng quy mô lên đến cấp độ sản xuất của ngành. Tuy nhiên, họ nhận thức được sự không tầm thường của việc thực hiện bước này, như Giáo sư García de Arquer nhận thấy: "Coban, phong phú hơn iridi, vẫn là một vật liệu rất đáng lo ngại khi xem xét từ nơi nó thu được. Đó là lý do tại sao chúng tôi đang nghiên cứu các lựa chọn thay thế dựa trên mangan, niken và nhiều vật liệu khác. Chúng tôi sẽ đi qua toàn bộ bảng tuần hoàn, nếu cần thiết. Và chúng tôi sẽ khám phá và thử với 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 phát sinh, nhóm nghiên cứu vẫn bị thuyết phục về tiềm năng của quá trình phân tách 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 chúng ta với tư cách là một cộng đồng loài người chống lại biến đổi khí hậu. Tôi tin rằng các nghiên cứu của chúng tôi đã đóng góp một bước nhỏ đi đúng hướng."
Tham khảo: "Bẫy nước-hydroxit trong tungstate coban để điện phân nước 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 đối tác xem các hoạt động của Công ty TNHH Pacific Group.
FanPage: https://www.facebook.com/Pacific-Group
YouTube: https://www.youtube.com/@PacificGroupCoLt
