Hydro xanh giá rẻ: Thiết kế điện cực mới giúp giảm đáng kể hao mòn trong các thiết bị điện phân màng
bởi Robert Sanders, Đại học California - Berkeley
Các thiết bị điện phân bền bỉ, giá rẻ (ở giữa) có thể sử dụng năng lượng bền vững từ gió và mặt trời để biến nước tinh khiết thành khí hydro, có thể cung cấp nhiên liệu cho các nhà máy công nghiệp cũng như xe hạng nặng. Nguồn: Yang Zhao/UC Berkeley
Một nhà hóa học tại Đại học California, Berkeley đã thiết kế một công nghệ mới có thể giúp pin nhiên liệu sản xuất hydro hoạt động lâu hơn và đẩy nhanh sự ra đời của các phiên bản nhiên liệu thân thiện với môi trường, có giá thành cạnh tranh.
Hydro được sử dụng làm nhiên liệu cho các phương tiện vận tải hạng nặng, nguyên liệu hóa học cho phân bón và các sản phẩm hóa chất và vật liệu khác, đồng thời là giải pháp lưu trữ năng lượng lâu dài trên lưới điện. Ngày nay, hầu hết hydro được sản xuất từ khí tự nhiên và, ở mức độ thấp hơn, từ than đá, thải ra một lượng lớn carbon dioxide và gây ra những tác động môi trường điển hình của việc khai thác và sử dụng nhiên liệu hóa thạch.
Hydro cũng có thể được tạo ra bằng các thiết bị điện phân phân tách nước và chỉ thải ra khí oxy như một sản phẩm phụ. Nhưng đối với hầu hết các ứng dụng, hydro từ điện phân nước hiện quá đắt đỏ để cạnh tranh với các nguồn nhiên liệu hóa thạch nếu không có trợ cấp. Giải pháp là sử dụng năng lượng gió và mặt trời giá rẻ nhưng không liên tục để cung cấp điện, nhưng để làm được điều đó, bản thân các bộ điện phân phải có chi phí sản xuất thấp hơn do thời gian sử dụng ngắn hơn.
Shannon Boettcher và nhóm của ông đang phát triển một công nghệ điện phân mới sử dụng polyme dẫn ion, có thể giảm đáng kể chi phí, nhưng cho đến nay, chúng vẫn chưa đủ ổn định - các điện cực có xu hướng bị xuống cấp nhanh chóng. Nhóm của ông hiện đã thiết kế lại các bộ điện phân này theo cách bảo vệ các điện cực khỏi bị xuống cấp.
"Nếu bạn có thể thực hiện được điều này, thì việc kỳ vọng giảm chi phí của các bộ điện phân màng này xuống 5 hoặc 10 lần là điều hoàn toàn hợp lý, điều này sẽ thực sự cho phép chúng tôi đưa chúng vào lưới điện như một nguồn cung cấp electron giá rẻ với tải thay đổi và cung cấp hydro", Boettcher, giáo sư kỹ thuật hóa học, sinh học phân tử và hóa học tại Đại học California, Berkeley, cho biết.
Máy điện phân là một cách để thu thập năng lượng dư thừa được tạo ra trong thời gian cao điểm của năng lượng mặt trời và gió và chuyển đổi nó thành hydro để sử dụng sau này, cho cả công nghiệp và thậm chí để lưu trữ điện theo mùa.
"Chúng tôi đang cố gắng phát triển các công nghệ điện hóa để tạo ra hydro, có thể tận dụng tất cả nguồn điện không liên tục đó", Boettcher nói.
Boettcher và các đồng nghiệp đã công bố phát hiện của họ vào ngày 16 tháng 10 trên tạp chí Science.
Tại sao pin chết
Theo Boettcher, sự phân hủy của các điện cực polymer, trong đó các electron được chiết xuất từ các ion hydroxide (OH–) để tạo ra khí oxy, xảy ra khi chính các polymer mất đi một số electron của chúng. Sự phân hủy oxy hóa này là thách thức lớn trong việc làm cho công nghệ điện phân này có tính cạnh tranh về mặt thương mại.
Có hai loại máy điện phân thương mại chính, Boettcher cho biết. Điện phân kiềm lỏng sử dụng dung dịch nóng, có tính ăn mòn, tương tự như dung dịch Drano dùng để thông cống, làm chất điện phân lỏng dẫn ion bao quanh các điện cực và một lớp gốm xốp để tách biệt hydro và khí oxy. Mặc dù các thiết bị này khá hiệu quả và đang được mở rộng quy mô ở Trung Quốc, nhưng chất điện phân giống Drano lại gây khó khăn cho việc bảo trì và các bộ tách gốm không hoạt động tốt ở tốc độ sản xuất hydro cao hoặc hoạt động không liên tục.
Một giải pháp thay thế mới hơn là máy điện phân màng trao đổi proton, có màng polyme hữu cơ dẫn ion có tính axit đóng vai trò là chất điện phân và cũng giữ cho khí oxy và khí hydro tách biệt.
"Máy điện phân này rất đẹp vì màng ngăn chặn oxy và hydro hòa trộn qua màng ở mức độ lớn hơn nhiều", ông nói. "Bạn có thể đặt hai điện cực rất gần nhau và tạo ra hydro ở một điện cực với hiệu suất cao, oxy ở điện cực kia với hiệu suất cao, và màng chính là chất điện phân - dung dịch muối - nhưng nó ở dạng rắn nên bạn chỉ cần cung cấp nước tinh khiết cho nó."
Tuy nhiên, ở đây, môi trường có tính axit mạnh bên trong bình điện phân chính là vấn đề.
"Các axit mạnh hòa tan hầu hết mọi kim loại mà chúng ta biết trong điều kiện oxy hóa - điều kiện tạo ra oxy, điều kiện mà bạn có trong máy điện phân này", ông nói. Điện cực khả thi duy nhất được làm từ kim loại iridi đắt tiền, và các chất điện phân cũng cần cái gọi là hóa chất vĩnh cửu, fluorocarbon, để làm cho polyme ổn định.
Shannon Boettcher trong phòng thí nghiệm đang cầm các tấm pin điện phân được sử dụng trong hệ thống màng polyme. Yifan Wu/UC Berkeley
Công nghệ mới của Boettcher, được gọi là máy điện phân nước màng trao đổi anion, kết hợp những ưu điểm của màng polyme rắn với hiệu quả và giá thành rẻ của chất điện phân kiềm hoặc xút đơn giản.
"Bạn có thể tận dụng tất cả những lợi thế về vật liệu giá rẻ của một công nghệ—công nghệ kiềm—với tất cả
Những lợi thế của công nghệ màng, bao gồm chi phí thấp hơn, độ an toàn cao hơn và ít bảo trì hơn, nhưng để làm được điều đó, chúng cần phải bền bỉ", ông nói.
Để giải quyết vấn đề thoái hóa, Boettcher tập trung vào điện cực anode - nơi diễn ra quá trình oxy hóa - vì đó là nơi xảy ra nhiều hư hại nhất. Điện tích dương của điện cực kéo các electron ra khỏi các phân tử polymer, làm tăng tốc độ các ion hydroxide ăn mòn polymer.
"Một trong những nguyên nhân khiến pin chết cũng là do các phản ứng phụ như thế này", ông nói. "Các electron trong vật liệu pin cuối cùng phản ứng với chất điện phân, gây ra những phản ứng phụ không mong muốn này, làm kẹt pin và pin ngừng hoạt động."
Công nghệ mới hoạt động như thế nào
Lấy cảm hứng từ nhiều thập kỷ nghiên cứu cải tiến pin của những người khác, Boettcher và nhóm của ông đã nghĩ ra một phương pháp bảo vệ polymer khỏi các phản ứng phụ. Phương pháp này bao gồm việc trộn một thành phần rẻ tiền, một loại polymer vô cơ zirconium oxide, với một loại polymer hữu cơ có chức năng dẫn ion và tách các khí. Các polymer zirconium tích tụ xung quanh điện cực anode và tạo ra một lớp "thụ động hóa" bảo vệ polymer hữu cơ nhạy cảm hơn. khỏi việc mất electron khi oxy được tạo ra.
"Chúng tôi giảm tốc độ phân hủy xuống gấp trăm lần", ông nói. "Chúng tôi chưa đạt đến mức đó (để có một thiết bị điện phân khả thi về mặt thương mại), nhưng đây là bước tiến lớn nhất mà chúng tôi tìm thấy để đạt được điều đó."
Anode được tạo ra bằng cách lắng đọng một chất xúc tác gốc coban lên lưới thép, sau đó phủ hoàn toàn chất xúc tác và lưới bằng hỗn hợp polymer. Điện cực âm, hay còn gọi là catốt, có chức năng kéo các ion hydro từ nước để tạo ra hydro, sau đó được thêm vào, tạo thành một lớp kẹp.
Boettcher, người giữ chức Giáo sư Theodore Vermeulen về Kỹ thuật Hóa học, vẫn đang tiếp tục nghiên cứu để hiểu và cải thiện hiệu suất điện cực và loại bỏ tất cả các chế độ phân hủy còn lại.
"Sản xuất, lưu trữ, vận chuyển hydro—tất cả đều tốn kém và có rất nhiều thách thức. Nhưng sự tiến bộ trong công nghệ này thật đáng kinh ngạc", Boettcher nói. "Kỷ nguyên nhiên liệu hydro từ điện phân vượt trội hơn nhiên liệu hóa thạch mà không cần trợ cấp cho nhiều ứng dụng khác nhau đang đến gần."
Các đồng tác giả bao gồm Shujin Hou, Yang Zhao, Minkyoung Kwak, Kelvin Kam-Yun Li, Peiyao Wu, Anthony Ekennia và Joelle Frechette của Đại học California, Berkeley và Gregory Su của Phòng thí nghiệm Berkeley cùng với các cộng tác viên tại Versogen, một công ty có trụ sở tại Delaware đang nỗ lực thương mại hóa công nghệ này, Đại học Delaware và Stanford.
Thông tin thêm: Shujin Hou và cộng sự, Máy điện phân màng trao đổi anion bền bỉ, cấp nước tinh khiết thông qua kỹ thuật giao pha, Science (2025). DOI: 10.1126/science.adw7100
Thông tin tạp chí: Science
