Đột phá về năng lượng xanh: Chất xúc tác giúp giảm 95% việc sử dụng Iridium trong máy điện phân hydro
Các nhà nghiên cứu đã phát triển một phương pháp mới giúp giảm 95% lượng iridium cần thiết để sản xuất hydro “xanh”, duy trì tốc độ sản xuất và hứa hẹn nâng cao tính khả thi của nền kinh tế hydro trung hòa carbon. Tín dụng: SciTechDaily.com
Một nhóm nghiên cứu Nhật Bản đã đạt được bước đột phá trong sản xuất hydro, giúp giảm 95% nhu cầu về iridium mà không ảnh hưởng đến hiệu quả, mở đường cho các giải pháp năng lượng hydro quy mô lớn, bền vững.
Khi thế giới đang chuyển đổi từ nền kinh tế năng lượng dựa trên nhiên liệu hóa thạch, nhiều người đang đặt cược vào hydro để trở thành loại tiền tệ năng lượng thống trị. Nhưng việc sản xuất hydro “xanh” mà không sử dụng nhiên liệu hóa thạch vẫn chưa thể thực hiện được ở quy mô mà chúng ta cần vì nó cần tới iridium, một kim loại cực kỳ hiếm.
Trong một nghiên cứu được công bố hôm nay (9 tháng 5) trên tạp chí Khoa học, các nhà nghiên cứu do Ryuhei Nakamura đứng đầu tại Trung tâm Khoa học Tài nguyên Bền vững (CSRS) RIKEN ở Nhật Bản đã báo cáo một phương pháp mới giúp giảm 95% lượng iridium cần cho phản ứng, mà không làm thay đổi tốc độ sản xuất hydro. Bước đột phá này có thể cách mạng hóa khả năng sản xuất hydro thân thiện với môi trường của chúng ta và giúp mở ra nền kinh tế hydro trung hòa carbon.
Hình ảnh kính hiển vi điện tử quét của oxit iridi tổng hợp (D) và hình ảnh kính hiển vi điện tử truyền qua quét của iridi (điểm sáng) phân tán trên oxit mangan được lắng đọng bằng điện trên lưới titan phủ bạch kim chống ăn mòn (E,F,G). Tín dụng: RIKEN
Những thách thức sản xuất hydro
Với 70% diện tích thế giới được bao phủ bởi nước, hydro thực sự là nguồn năng lượng tái tạo. Tuy nhiên, việc chiết xuất hydro từ nước ở quy mô có thể sánh ngang với việc sản xuất năng lượng dựa trên nhiên liệu hóa thạch vẫn chưa thể thực hiện được. Sản lượng năng lượng toàn cầu hiện nay là gần 18 terawatt, nghĩa là tại bất kỳ thời điểm nào, trung bình khoảng 18 nghìn tỷ watt điện đang được sản xuất trên toàn thế giới. Đối với các phương pháp sản xuất năng lượng xanh thay thế nhiên liệu hóa thạch, chúng phải có khả năng đạt được tốc độ sản xuất năng lượng tương tự.
Phương pháp xanh để tách hydro ra khỏi nước là phản ứng điện hóa cần có chất xúc tác. Chất xúc tác tốt nhất cho phản ứng này—những chất mang lại tốc độ cao nhất và sản xuất hydro ổn định nhất—là kim loại hiếm, trong đó iridium là chất tốt nhất trong số tốt nhất. Nhưng sự khan hiếm iridium là một vấn đề lớn. Đồng tác giả đầu tiên Shuang Kong cho biết: “Iridium hiếm đến mức việc tăng quy mô sản xuất hydro toàn cầu lên quy mô terawatt được ước tính sẽ cần lượng iridium có giá trị trong 40 năm”.
Những đổi mới trong phát triển chất xúc tác
Nhóm nghiên cứu chất xúc tác sinh học tại RIKEN CSRS đang cố gắng giải quyết nút thắt cổ chai iridium và tìm ra những cách khác để sản xuất hydro với tốc độ cao trong thời gian dài. Về lâu dài, họ hy vọng sẽ phát triển được các chất xúc tác mới dựa trên kim loại đất thông thường, có tính bền vững cao. Trên thực tế, nhóm nghiên cứu gần đây đã thành công trong việc ổn định quá trình sản xuất hydro xanh ở mức tương đối cao bằng cách sử dụng dạng oxit mangan làm chất xúc tác. Tuy nhiên, để đạt được mức sản xuất công nghiệp theo cách này vẫn còn phải mất nhiều năm nữa.
Nakamura cho biết: “Chúng tôi cần một cách để thu hẹp khoảng cách giữa các máy điện phân dựa trên kim loại hiếm và kim loại thông thường, để có thể thực hiện quá trình chuyển đổi dần dần trong nhiều năm sang hydro xanh hoàn toàn bền vững”. Nghiên cứu hiện tại thực hiện điều đó bằng cách kết hợp mangan với iridium. Các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng khi họ trải các nguyên tử iridium riêng lẻ trên một mảnh oxit mangan sao cho chúng không chạm hoặc kết tụ với nhau, quá trình sản xuất hydro trong máy điện phân màng trao đổi proton (PEM) được duy trì ở tốc độ tương tự như khi sử dụng. riêng iridium, nhưng với lượng iridium ít hơn 95%.
Tiềm năng và định hướng tương lai
Với chất xúc tác mới, có thể sản xuất hydro liên tục trong hơn 3000 giờ (khoảng 4 tháng) với hiệu suất 82% mà không bị suy giảm. Đồng tác giả Ailong Li cho biết: “Sự tương tác bất ngờ giữa oxit mangan và iridium là chìa khóa thành công của chúng tôi”. “Điều này là do iridium tạo ra từ tương tác này ở trạng thái oxy hóa +6 hiếm và có hoạt tính cao.”
Nakamura tin rằng mức độ sản xuất hydro đạt được nhờ chất xúc tác mới có tiềm năng hữu ích cao ngay lập tức. Ông nói: “Chúng tôi hy vọng chất xúc tác của mình sẽ dễ dàng được chuyển sang các ứng dụng trong thế giới thực, điều này sẽ ngay lập tức làm tăng công suất của các máy điện phân PEM hiện tại”.
Nhóm nghiên cứu đã bắt đầu hợp tác với các đối tác trong ngành, những đối tác đã có thể cải tiến chất xúc tác iridium-mangan ban đầu. Trong tương lai, các nhà nghiên cứu RIKEN CSRS có kế hoạch tiếp tục nghiên cứu sự tương tác hóa học cụ thể giữa iridium và mangan oxit, với hy vọng có thể giảm lượng iridium cần thiết hơn nữa. Đồng thời, họ sẽ tiếp tục hợp tác với các đối tác công nghiệp và có kế hoạch triển khai và thử nghiệm chất xúc tác mới trên phạm vi công nghiệp. trong thời gian sắp tới.
Tham khảo: “Ôxít iridium hóa trị sáu được phân tán nguyên tử từ quá trình khử MnO2 để xúc tác tiến hóa oxy” Ngày 9 tháng 5 năm 2024, Khoa học.
DOI: 10.1126/science.adg5193
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
