Hệ thống điện phân nước tiểu cung cấp sản xuất hydro xanh tiết kiệm năng lượng
của Jason Major, Trung tâm Xuất sắc về Khoa học và Đổi mới Carbon ARC
Ứng viên Tiến sĩ Xintong Gao, Đại học Adelaide và là tác giả đầu tiên của bài báo Angewandte Chemie International, người đứng đầu hệ thống điện phân urê không màng của họ. Nguồn: Đại học Adelaide, Khoa Kỹ thuật Hóa học
Các nhà nghiên cứu đã phát triển hai hệ thống tiết kiệm năng lượng và tiết kiệm chi phí độc đáo sử dụng urê có trong nước tiểu và nước thải để tạo ra hydro.
Các hệ thống độc đáo này tiết lộ các con đường để tạo ra hydro "xanh" một cách kinh tế, một nguồn năng lượng bền vững và tái tạo, và tiềm năng khắc phục chất thải nitơ trong môi trường nước.
Thông thường, chúng ta tạo ra hydro thông qua quá trình điện phân nước, trong đó nước được tách thành oxy và hydro. Đây là một công nghệ đầy hứa hẹn giúp giải quyết cuộc khủng hoảng năng lượng toàn cầu, nhưng quá trình này tiêu tốn nhiều năng lượng, khiến chi phí trở nên quá cao khi so sánh với việc chiết xuất hydro từ nhiên liệu hóa thạch (hydro xám), bản thân nó là một quá trình không mong muốn vì lượng khí thải carbon mà nó tạo ra.
Ngược lại với nước, hệ thống điện phân tạo ra hydro từ urê sử dụng ít năng lượng hơn đáng kể.
Mặc dù có lợi thế này, các hệ thống dựa trên urê hiện tại vẫn phải đối mặt với một số hạn chế, chẳng hạn như hiệu suất chuyển đổi urê thành hydro thấp và tạo ra các sản phẩm phụ nitơ không mong muốn (nitrat và nitrit) độc hại và cạnh tranh với quá trình sản xuất hydro, làm giảm hiệu quả chung của hệ thống.
Các nhà nghiên cứu từ Trung tâm Xuất sắc về Khoa học và Đổi mới Carbon của Hội đồng Nghiên cứu Úc (COE-CSI) và Đại học Adelaide đã phát triển hai hệ thống điện phân dựa trên urê khắc phục những vấn đề này và có thể tạo ra hydro xanh với chi phí mà họ tính toán là tương đương hoặc rẻ hơn chi phí sản xuất hydro xám.
"Mặc dù chúng tôi chưa giải quyết được tất cả các vấn đề, nhưng nếu các hệ thống này được mở rộng quy mô, hệ thống của chúng tôi sẽ tạo ra khí nitơ vô hại thay vì nitrat và nitrit độc hại, và cả hai hệ thống đều sẽ sử dụng ít hơn 20-27% điện so với hệ thống phân tách nước", Giáo sư Yao Zheng, Trưởng nhóm nghiên cứu của COE-CSI cho biết.
Nghiên cứu cho từng hệ thống đã được công bố trên các bài báo riêng biệt, một bài trên Angewandte Chemie International, bài còn lại trên Nature Communications.
Hệ thống điện phân không màng. Nguồn: Đại học Adelaide, Khoa Kỹ thuật Hóa học
"Chúng ta cần giảm chi phí sản xuất hydro, nhưng theo cách trung hòa carbon. Hệ thống trong bài báo đầu tiên của chúng tôi, trong khi sử dụng hệ thống không màng độc đáo và chất xúc tác gốc đồng mới, đã sử dụng urê tinh khiết, được sản xuất thông qua quy trình tổng hợp amoniac Haber-Bosch tốn nhiều năng lượng và thải ra nhiều CO2", Giáo sư Zheng cho biết.
"Chúng tôi đã giải quyết vấn đề này bằng cách sử dụng nguồn urê xanh - nước tiểu của con người - là cơ sở của hệ thống được nghiên cứu trong bài báo thứ hai của chúng tôi", ông cho biết.
Và đúng vậy, các nhà nghiên cứu đã hành động vì mục đích khoa học và hiến tặng nước tiểu của họ, cùng với nước tiểu mô phỏng được tạo ra trong phòng thí nghiệm. Nước tiểu hoặc urê cũng có thể có nguồn gốc từ nước thải và nước thải khác có hàm lượng chất thải nitơ cao.
Tuy nhiên, nước tiểu trong hệ thống điện xúc tác lại đặt ra một vấn đề khác. Các ion clorua trong nước tiểu sẽ kích hoạt phản ứng tạo ra clo gây ra sự ăn mòn không thể đảo ngược của anot của hệ thống, nơi xảy ra quá trình oxy hóa và mất electron.
Do đó, một cơ chế phản ứng mới có thể ngăn chặn sự ăn mòn clo đã được tìm thấy.
"Trong hệ thống đầu tiên, chúng tôi đã phát triển một hệ thống điện phân urê không màng sáng tạo và hiệu quả cao để sản xuất hydro giá rẻ. Trong hệ thống thứ hai này, chúng tôi đã phát triển một cơ chế oxy hóa trung gian clo mới sử dụng chất xúc tác gốc bạch kim trên chất mang carbon để tạo ra hydro từ nước tiểu", Giáo sư Shizhang Qiao, Phó giám đốc và Trưởng nhóm nghiên cứu của COE-CSI cho biết.
Các giải pháp thay thế cho chất xúc tác kim loại quý và hữu hạn
Bạch kim là một kim loại đắt tiền, quý và hữu hạn và nhu cầu ngày càng tăng của nó như một vật liệu xúc tác là không bền vững. Nhiệm vụ cốt lõi của COE-CSI là tạo ra các công nghệ chất xúc tác carbon mang tính chuyển đổi cho các ngành công nghiệp năng lượng và hóa chất truyền thống.
Nhóm nghiên cứu của Đại học Adelaide có kế hoạch tiến hành thêm các thí nghiệm để phát triển chất xúc tác kim loại không quý được hỗ trợ bằng carbon để xây dựng hệ thống xử lý nước tiểu-nước thải không màng, đạt được mục tiêu thu hồi hydro xanh với chi phí thấp hơn trong khi cải tạo môi trường nước thải.
Thông tin thêm: Xintong Gao và cộng sự, Điện phân nước không màng để tạo ra hydro với chi phí thấp, Angewandte Chemie International Edition (2024). DOI: 10.1002/anie.202417987
Pengtang Wang và cộng sự, Điện phân nước tiểu để tạo ra hydro tiết kiệm năng lượng, Nature Communications (2025). DOI: 10.1038/s41467-025-57798-3
Thông tin tạp chí: Angewandte Chemie International Edition, Nature Communications
