“Họ cuối cùng đã giải được ‘bài toán lớn nhất của hydrogen’”: Các nhà khoa học Đại học Rice cắt giảm 80% lượng kim loại hiếm trong chất xúc tác mới

Ngày 15 tháng 10 năm 2025

Các điểm chính:

Nhóm nghiên cứu tại Đại học Rice đã phát triển chất xúc tác mới giúp giảm hơn 80% lượng iridium sử dụng trong thiết bị điện phân màng trao đổi proton (PEM).
Đột phá này giải quyết bài toán chi phí và nguồn cung trong sản xuất hydrogen xanh.
Chất xúc tác mới duy trì hiệu suất công nghiệp trên 1.500 giờ với mức suy giảm tối thiểu.
Công nghệ này có thể giúp hydrogen xanh dễ tiếp cận hơn và đẩy nhanh việc ứng dụng toàn cầu.

Khi thế giới đang chạy đua nhằm giảm phát thải carbon và ứng phó biến đổi khí hậu, hydrogen nổi lên như một nhiên liệu thay thế đầy tiềm năng. Tuy nhiên, sản xuất hydrogen xanh đang đối mặt với rào cản lớn: chi phí cao và sự khan hiếm của iridium – một kim loại hiếm và đắt đỏ.

Các nhà nghiên cứu tại Đại học Rice (Mỹ) đã tạo ra một bước đột phá khi phát triển chất xúc tác mới giúp giảm mạnh lượng iridium sử dụng trong thiết bị điện phân màng trao đổi proton (PEM), mở đường cho sản xuất hydrogen xanh rẻ hơn và dễ mở rộng quy mô hơn. Thành tựu này không chỉ giúp giảm chi phí mà còn giảm rủi ro đứt gãy chuỗi cung ứng.

Đột phá trong thiết kế chất xúc tác

Cốt lõi của công nghệ mới nằm ở việc nhúng các nguyên tử iridium vào mạng tinh thể oxit ruthenium, giúp giảm hơn 80% lượng iridium cần thiết.
Theo Phó Giáo sư Haotian Wang của Đại học Rice, đây là một bước tiến quan trọng, giải quyết được một trong những nút thắt kinh tế và chuỗi cung ứng lớn nhất của nền kinh tế hydrogen.

Nhóm nghiên cứu, hợp tác cùng De Nora Tech, đã sử dụng mô phỏng nguyên tử tiên tiến để xác định cấu trúc tối ưu. Họ phát hiện rằng các nguyên tử iridium ở lớp dưới bề mặt có vai trò bảo vệ ruthenium khỏi bị hòa tan trong môi trường điện hóa khắc nghiệt — nhờ đó kéo dài tuổi thọ và duy trì hiệu suất công nghiệp.

Hiệu suất công nghiệp vượt trội

Vật liệu mới, ký hiệu Ru₆IrOₓ, có tỷ lệ ruthenium/iridium là 6:1. Chất xúc tác này có thể duy trì mật độ dòng điện 2 A/cm² trong hơn 1.500 giờ mà chỉ bị suy giảm rất ít. Sự phân bố đồng đều của iridium trong cấu trúc oxit giúp ổn định các nguyên tử ruthenium lân cận, tăng độ bền vật liệu.

Trong thử nghiệm thực tế với thiết bị điện phân PEM 25 cm², chất xúc tác của Rice đạt hiệu suất tương đương hệ thống sử dụng iridium nguyên chất, nhưng chỉ dùng một phần nhỏ lượng kim loại quý. Kết quả này chứng minh rằng có thể đạt hiệu năng cao và độ bền công nghiệp mà không cần phụ thuộc vào các chất xúc tác giàu iridium — mở ra cơ hội sản xuất hàng loạt thiết bị điện phân hiệu quả và tiết kiệm hơn.

Tác động kinh tế và khoa học

Việc thay thế iridium oxide tiêu chuẩn bằng Ru₆IrOₓ có thể giúp giảm hơn 80% chi phí xúc tác cực dương, qua đó hạ giá thành sản xuất hydrogen và giảm phụ thuộc vào biến động giá iridium.
Ngoài lợi ích kinh tế, nghiên cứu còn giới thiệu một cách tiếp cận hoàn toàn mới trong thiết kế xúc tác — ổn định vật liệu từ bên trong, thay vì chỉ phủ lớp bảo vệ bên ngoài như thông thường.

Phó Giáo sư Thomas Senftle của Đại học Rice nhấn mạnh sự kết hợp giữa lý thuyết và thực nghiệm là chìa khóa của thành công. Nhờ mô phỏng ở cấp độ nguyên tử kết hợp thử nghiệm thực tế, nhóm nghiên cứu chứng minh rằng chỉ cần một lượng nhỏ iridium cũng có thể ổn định toàn bộ mạng tinh thể oxit, mở ra tiềm năng cho nhiều đột phá xúc tác mới trong tương lai.

Triển vọng cho hydrogen xanh

Được hỗ trợ bởi Quỹ Welch, Quỹ Packard và Quỹ Khoa học Quốc gia Hoa Kỳ (NSF), nghiên cứu này có thể thúc đẩy nhanh việc phổ cập hydrogen xanh toàn cầu. Các thiết bị điện phân rẻ hơn, bền hơn và ít phụ thuộc vào vật liệu hiếm sẽ giúp hydrogen trở thành nguồn năng lượng sạch thực sự toàn cầu.

Công trình được công bố trên tạp chí Nature Nanotechnology, đặt nền tảng cho các nghiên cứu và phát triển năng lượng bền vững trong tương lai.
Sự hợp tác giữa giới học thuật và doanh nghiệp, điển hình như giữa Đại học Rice và De Nora Tech, cho thấy đổi mới công nghệ có thể tạo ra bước ngoặt thực sự cho ngành năng lượng.

Đột phá này cũng đặt ra những câu hỏi quan trọng:
Liệu các tiến bộ tiếp theo trong công nghệ xúc tác có thể định hình tương lai năng lượng sạch ra sao? Và giải pháp nào khác sẽ xuất hiện để thúc đẩy sản xuất hydrogen trên quy mô toàn cầu?