Đột phá xúc tác hydro: Giữ ổn định 3.000 giờ nhờ sắp xếp nguyên tử có trật tự
Ngày 22 tháng 8 năm 2026 - Annie Nguyễn
Một nhóm nghiên cứu Hàn Quốc vừa phát triển thành công xúc tác platin-niken (PtNi) có độ bền vượt trội cho phản ứng giải phóng hydro, mở ra hướng đi mới cho sản xuất hydro xanh quy mô công nghiệp. Bí quyết nằm ở việc sắp xếp các nguyên tử platin và niken theo cấu trúc có trật tự, giúp ngăn chặn hiện tượng rửa trôi niken - nguyên nhân chính gây suy giảm hiệu suất của xúc tác trong quá trình điện phân nước sử dụng màng trao đổi anion (AEMWE). Kết quả nghiên cứu được công bố trên tạp chí Carbon Energy.
Khi được thử nghiệm trong hệ thống tiếp cận quy mô sản xuất hydro thực tế, xúc tác mới này đã duy trì hoạt động liên tục trong 3.000 giờ (tương đương khoảng 4 tháng) với mức suy giảm hiệu suất dưới 2%. Thành tựu này được kỳ vọng sẽ thúc đẩy ứng dụng thực tiễn của xúc tác điện phân trong sản xuất hydro xanh, giải quyết bài toán chi phí thay thế và bảo trì vốn là rào cản lớn cho thương mại hóa.
Vấn đề cốt lõi: Niken bị rửa trôi
Điện phân nước sử dụng màng trao đổi anion là công nghệ sản xuất hydro trong môi trường kiềm, được đánh giá cao nhờ giảm sử dụng kim loại quý hiếm và chi phí hệ thống. Tuy nhiên, phản ứng giải phóng hydro trong môi trường kiềm diễn ra chậm hơn, đòi hỏi xúc tác có hoạt tính cao. Xúc tác platin-niken thông thường (hợp kim hỗn hợp) ban đầu cho hiệu suất tốt, nhưng trong quá trình vận hành dài hạn, niken dần bị hòa tan dưới dạng ion hoặc hydroxit, làm thay đổi thành phần và cấu trúc điện tử của xúc tác, dẫn đến suy giảm hiệu suất nhanh chóng.
Giải pháp: "Khóa" niken bằng cấu trúc có trật tự
Nhóm nghiên cứu, dẫn đầu bởi Tiến sĩ Sung Mook Choi tại Viện Khoa học Vật liệu Hàn Quốc (KIMS), đã phát triển xúc tác PtNi có trật tự nguyên tử, nơi các nguyên tử platin và niken được sắp xếp ở các vị trí mạng tinh thể xác định, thay vì trộn lẫn ngẫu nhiên như xúc tác thông thường. Cấu trúc trật tự này giúp niken khó thoát ra khỏi bề mặt xúc tác hơn.
Bằng phương pháp khoa học tính toán vật liệu, nhóm nghiên cứu xác định rằng niken được ổn định mạnh hơn và có khả năng chống hòa tan cao hơn trong cấu trúc PtNi có trật tự. Sau đó, họ áp dụng lý thuyết này vào tổng hợp xúc tác và chế tạo điện cực điện phân.
Quy trình tổng hợp bao gồm: khử tiền chất platin và niken ở nhiệt độ thấp bằng natri borohydrua (NaBH₄), sau đó xử lý nhiệt trong môi trường nitơ để các nguyên tử sắp xếp lại thành cấu trúc trật tự bền vững.
Kết quả ấn tượng từ quy mô phòng thí nghiệm đến stack thực tế
Thử nghiệm độ bền cho thấy xúc tác có trật tự giữ lại lượng niken vượt trội so với xúc tác hỗn hợp. Cụ thể, sau thử nghiệm, xúc tác hỗn hợp mất khoảng 54% hàm lượng niken ban đầu, trong khi xúc tác có trật tự chỉ mất khoảng 9%.
Quan trọng hơn, khi ứng dụng vào stack ba tế bào diện tích lớn (64 cm²) - quy mô gần với hệ thống sản xuất thực tế - xúc tác đã vận hành liên tục 3.000 giờ với độ suy giảm hiệu suất dưới 2%, khẳng định khả năng ổn định lâu dài.
Ý nghĩa và triển vọng
Thành công này có ý nghĩa quan trọng vì nó chứng minh tiềm năng kéo dài tuổi thọ xúc tác - yếu tố then chốt để thương mại hóa hệ thống điện phân nước. Xúc tác mới giúp giảm lượng platin sử dụng trong khi vẫn duy trì hiệu suất ổn định, hứa hẹn ứng dụng trong các nhà máy sản xuất hydro kết nối năng lượng tái tạo, hệ thống phân phối hydro và stack điện phân diện tích lớn.
Nhóm nghiên cứu dự định sẽ tiếp tục giảm tải lượng kim loại quý, cải thiện độ đồng đều của điện cực diện tích lớn, tối ưu hóa điều kiện vận hành stack và phân tích chi tiết cơ chế suy giảm trong môi trường thực tế để hướng tới ứng dụng công nghiệp.
Nghiên cứu được thực hiện bởi nhóm của Tiến sĩ Sung Mook Choi (KIMS), hợp tác với các nhóm của Giáo sư Min Ho Seo (Đại học Pukyong) và Giáo sư Won Bae Kim (Đại học Khoa học và Công nghệ Pohang - POSTECH).
