Hydro xanh: Niken silicide cấu trúc nano tỏa sáng như một chất xúc tác
Kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) của pha hoạt động xúc tác được kết hợp với quang phổ tia X phân tán năng lượng để lập bản đồ sự phân bố của Ni (xanh lá cây), Si (xanh lam) và oxy (đỏ) xung quanh cấu trúc lõi-vỏ. Ảnh: P. Menezes / HZB / TU Berlin
Điện phân có thể là một khái niệm quen thuộc trong các tiết học hóa học ở trường: Hai điện cực được nhúng vào nước và đặt dưới hiệu điện thế. Hiệu điện thế này làm cho các phân tử nước phân hủy thành các thành phần của chúng và bọt khí nổi lên ở các điện cực: Khí oxy hình thành ở cực dương, trong khi bọt khí hydro hình thành ở cực âm. Quá trình điện phân có thể tạo ra hydro theo cách trung hòa CO2 - miễn là lượng điện cần thiết được tạo ra bởi các dạng năng lượng tự do hóa thạch như mặt trời hoặc gió.
Vấn đề duy nhất là những phản ứng này không hiệu quả và cực kỳ chậm. Để tăng tốc độ phản ứng, các chất xúc tác được sử dụng, dựa trên các kim loại quý và hiếm như bạch kim, ruthenium hoặc iridi. Tuy nhiên, để sử dụng trên quy mô lớn, các chất xúc tác như vậy phải bao gồm các nguyên tố có sẵn rộng rãi và rất rẻ.
Cấu trúc nano cảm ứng hóa học
Để đẩy nhanh phản ứng tiến hóa oxy ở cực dương, vật liệu làm từ niken được coi là ứng cử viên sáng giá. Niken có khả năng chống ăn mòn, hầu như không độc hại và cũng rẻ tiền. Tuy nhiên, cho đến nay, các quy trình nhiệt độ cao tiêu tốn nhiều năng lượng chủ yếu được sử dụng để sản xuất vật liệu xúc tác dựa trên niken.
Một nhóm nghiên cứu do Tiến sĩ Prashanth Menezes (HZB / TU Berlin) đứng đầu hiện đã tìm ra một phương pháp "hóa học mềm" để sản xuất chất xúc tác hiệu quả dựa trên các tinh thể nano liên kim loại niken-silicon.
Menezes cho biết: "Chúng tôi đã kết hợp nguyên tố niken với silic, nguyên tố phổ biến thứ hai trong vỏ Trái đất và đạt được cấu trúc nano thông qua một phản ứng hóa học. Vật liệu tạo ra có đặc tính xúc tác tuyệt vời". Ni2Si tinh thể đóng vai trò là chất tiền xúc tác cho phản ứng tiến hóa oxy kiềm ở cực dương và trải qua quá trình biến đổi bề mặt để tạo thành nicke (oxy) hydroxit như một chất xúc tác hoạt động trong điều kiện hoạt động. Đáng chú ý, quá trình điện phân nước được kết hợp thêm với phản ứng oxy hóa hữu cơ giá trị gia tăng, trong đó điện tổng hợp các hợp chất nitril có giá trị công nghiệp được tạo ra từ các amin bậc một với sự chuyển đổi chọn lọc và hoàn toàn trong điều kiện nhẹ. Các phương pháp điện tổng hợp như vậy có thể thúc đẩy quá trình tạo hydro ở cực âm và đồng thời có thể cung cấp khả năng tiếp cận các sản phẩm công nghiệp có giá trị ở cực dương.
Hiệu quả và ổn định hơn
So với các chất xúc tác hiện đại dựa trên Niken, Coban, Sắt, Ruthenium và Iridium, Ni2Si dạng nano hoạt động mạnh hơn đáng kể và vẫn ổn định trong thời gian phản ứng lâu hơn ở các điều kiện cấp công nghiệp. Để hiểu chi tiết hơn về hoạt động của Ni2Si, nhóm nghiên cứu đã kết hợp các phương pháp đo lường khác nhau, bao gồm phân tích nguyên tố, kính hiển vi điện tử và phép đo quang phổ hiện đại tại BESSY II. Menezes cho biết: “Trong tương lai, ngay cả các máy điện giải nước kiềm công nghiệp cũng có thể được trang bị lớp phủ niken silicide dạng nano này.
Nghiên cứu được công bố trên tạp chí Advanced Energy Materials.
