Hiệu quả 99% và giá cực rẻ – Liệu đây có phải là Chén Thánh của Hydro?
Một bước đột phá trong nghiên cứu năng lượng tái tạo đã dẫn đến sự phát triển của chất xúc tác gốc sắt có hiệu suất cao và tiết kiệm chi phí cho quá trình oxy hóa nước.
Sáng kiến này mô phỏng quá trình quang hợp tự nhiên trong khi khắc phục những hạn chế của chất xúc tác kim loại đắt tiền. Hợp chất sắt trùng hợp mới được phát triển, poly-Fe5-PCz, tự hào có độ ổn định đặc biệt và hiệu suất Faradaic gần như hoàn hảo, khiến nó trở thành một bước ngoặt trong sản xuất hydro. Bằng cách tận dụng các vật liệu dồi dào, nghiên cứu mở đường cho các giải pháp năng lượng bền vững, có thể mở rộng quy mô, có thể chuyển đổi lưu trữ năng lượng sạch và sản xuất hydro công nghiệp.
Khai thác quá trình oxy hóa nước để tạo ra năng lượng tái tạo
Quá trình oxy hóa nước là một quá trình quan trọng trong năng lượng tái tạo, đặc biệt là đối với sản xuất hydro và quang hợp nhân tạo. Bằng cách phân tách nước thành oxy và hydro, nó cung cấp một nguồn năng lượng sạch và bền vững. Tuy nhiên, việc sao chép hiệu quả và tính ổn định của quá trình quang hợp tự nhiên trong các chất xúc tác nhân tạo — đặc biệt là trong môi trường nước — vẫn là một thách thức lớn. Mặc dù các chất xúc tác được làm từ kim loại hiếm như rutheni có hiệu quả cao, nhưng chi phí cao và nguồn cung hạn chế khiến chúng không thực tế đối với các ứng dụng quy mô lớn.
Để khắc phục điều này, một nhóm nghiên cứu do Giáo sư Mio Kondo từ Viện Khoa học Tokyo (Science Tokyo), Nhật Bản dẫn đầu đã phát triển một hệ thống xúc tác bền vững và giá cả phải chăng hơn bằng cách sử dụng các kim loại có sẵn rộng rãi. Nghiên cứu của họ, được công bố hôm nay (ngày 5 tháng 3) trên tạp chí Nature Communications , đưa ra một giải pháp thay thế đầy hứa hẹn để thúc đẩy công nghệ năng lượng sạch.
Giới thiệu chất xúc tác sắt Pentanuclear
Nghiên cứu giới thiệu một hợp chất sắt ngũ nhân mới, Fe5-PCz(ClO₄)₃, có vị trí hoạt động xúc tác dựa trên phức hợp đa nhân và các phần tiền thân cho các vị trí truyền điện tích.
Kondo giải thích,
Bằng cách trùng hợp điện hóa phức hợp sắt đa nhân này, chúng tôi tạo ra vật liệu gốc polyme giúp tăng cường hoạt động xúc tác điện và tính ổn định lâu dài.
“Cách tiếp cận này kết hợp lợi ích của hệ thống tự nhiên với tính linh hoạt của chất xúc tác nhân tạo, mở đường cho các giải pháp năng lượng bền vững.”
Tổng hợp và đặc tính của chất xúc tác
Các nhà nghiên cứu đã tổng hợp phức hợp Fe5-PCz(ClO₄)₃ bằng các phản ứng hữu cơ như brom hóa, thế nucleophin, phản ứng ghép Suzuki và các phản ứng tạo phức tiếp theo. Phức hợp tổng hợp được đặc trưng bằng phép đo phổ khối, phân tích nguyên tố và phân tích cấu trúc tia X tinh thể đơn.
Sau đó, các nhà nghiên cứu đã biến đổi điện cực cacbon thủy tinh và oxit thiếc indi bằng cách trùng hợp Fe5-PCz bằng phương pháp đo dòng điện tuần hoàn và điện phân thế có kiểm soát để tạo ra chất xúc tác gốc polyme, poly-Fe5-PCz.
Khả năng truyền điện tích và hiệu suất điện xúc tác của poly-Fe5-PCz được đánh giá thông qua phép đo phổ trở kháng điện hóa và các thí nghiệm phản ứng giải phóng oxy (OER) với lượng oxy sản xuất được định lượng bằng sắc ký khí.
Hiệu suất và độ ổn định vượt trội
Kondo giải thích,
Poly-Fe5-PCz đạt hiệu suất Faradaic lên tới 99% trong môi trường nước, nghĩa là gần như toàn bộ dòng điện được sử dụng đều góp phần tạo ra OER.
Hệ thống này cũng thể hiện độ bền và tốc độ phản ứng vượt trội trong điều kiện thử nghiệm nghiêm ngặt so với các hệ thống liên quan.
Ngoài ra, poly-Fe5-PCz còn chứng minh được tiềm năng lưu trữ năng lượng được cải thiện và khả năng tương thích điện cực được cải thiện, khiến nó phù hợp với nhiều ứng dụng năng lượng tái tạo khác nhau.” Độ ổn định cao của nó đã được xác nhận thêm bằng các thí nghiệm điện thế được kiểm soát trong thời gian dài, một lợi thế quan trọng đối với công nghệ sản xuất hydro và lưu trữ năng lượng.
Ý nghĩa đối với Năng lượng bền vững
Những phát hiện của nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng đối với năng lượng bền vững. Việc sử dụng sắt — một kim loại dồi dào, không độc hại — đảm bảo hệ thống vừa thân thiện với môi trường vừa tiết kiệm chi phí, mang đến một giải pháp thay thế khả thi cho các chất xúc tác gốc kim loại quý. Độ ổn định của nó trong điều kiện vận hành giải quyết một thách thức lớn trong các hệ thống xúc tác nhân tạo, nơi sự phân hủy chất xúc tác lâu dài thường hạn chế hiệu suất. Hơn nữa, hiệu suất của hệ thống trong môi trường nước khiến nó phù hợp cho các ứng dụng trong phân tách nước.
Hướng tới sản xuất hydro có thể mở rộng
Kondo kết luận rằng:
Việc tối ưu hóa quá trình tổng hợp và khả năng mở rộng quy mô poly-Fe5-PCz có thể nâng cao hơn nữa hiệu suất của nó, mở đường cho việc sản xuất hydro và lưu trữ năng lượng ở quy mô công nghiệp.
“Nghiên cứu của chúng tôi mở ra những khả năng mới để tích hợp hệ thống vào các công nghệ năng lượng rộng hơn, mở đường cho một tương lai bền vững hơn,”
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
