Khai thác hydro: Tiết lộ vai trò của bạch kim trong các chất xúc tác năng lượng sạch
Biến đổi bề mặt bằng cách sử dụng các cation ưa nước/kỵ nước để kiểm soát cả hoạt động điện hóa và độ ổn định của điện cực bạch kim. Nhà cung cấp hình ảnh: Masashi Nakamura từ Đại học Chiba, đã chỉnh sửa
Các nhà nghiên cứu làm sáng tỏ cơ chế kiểm soát quá trình oxy hóa bề mặt ảnh hưởng đến hiệu suất của chất xúc tác bạch kim trong môi trường kiềm.
Điện cực bạch kim (Pt) rất quan trọng đối với các công nghệ năng lượng sạch như pin nhiên liệu hydro và điện phân. Tuy nhiên, quá trình oxy hóa bề mặt xảy ra trong các quá trình như vậy làm giảm hiệu suất và độ ổn định của chất xúc tác. Để giải quyết vấn đề này, các nhà nghiên cứu đã nghiên cứu các cơ chế oxy hóa bề mặt trên bề mặt Pt trong môi trường kiềm, một hướng nghiên cứu chưa được khám phá trước đây. Thí nghiệm của họ tiết lộ những hiểu biết quan trọng có thể hỗ trợ phát triển các chất xúc tác thế hệ tiếp theo, mở đường cho một xã hội trung hòa carbon.
Pin nhiên liệu hydro và điện phân
Việc theo đuổi tính trung hòa carbon thúc đẩy việc khám phá các nguồn năng lượng sạch, với pin nhiên liệu hydro đang nổi lên như một con đường đầy hứa hẹn. Trong các tế bào này, hydro trải qua phản ứng điện hóa với oxy để tạo ra điện và nước. Ngoài ra, quá trình ngược lại của quá trình này, được gọi là điện phân, có thể được sử dụng để tách lượng nước dồi dào sẵn có để tạo ra hydro và oxy. Hai công nghệ này có thể hoạt động song song để cung cấp nguồn năng lượng sạch và tái tạo. Yếu tố then chốt trong hai công nghệ này là điện cực bạch kim (Pt).
Những thách thức trong công nghệ pin nhiên liệu
Pin nhiên liệu hydro bao gồm hai điện cực: cực dương và cực âm, với chất điện phân ở giữa chúng. Pt đóng vai trò là chất xúc tác cơ bản trong pin nhiên liệu nhiệt độ thấp, chẳng hạn như pin nhiên liệu kiềm và pin nhiên liệu điện phân polymer (PEFC). Pt có hoạt tính cao cho phản ứng khử oxy (ORR), phản ứng này rất quan trọng đối với pin nhiên liệu, trong điều kiện kiềm và axit ở điện áp hoạt động của cực âm PEFC. Tuy nhiên, điều này cũng dẫn đến sự hình thành oxit trên bề mặt, làm nhám và hòa tan lớp Pt, cuối cùng làm suy giảm cực âm và ảnh hưởng đến hiệu suất cũng như độ ổn định.
Do đó, hiểu được cơ chế hình thành oxit bề mặt là rất quan trọng để phát triển chất xúc tác catốt Pt hoạt động tốt trong điều kiện kiềm. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng sự hình thành oxit trên bề mặt Pt phụ thuộc vào thế điện cực, chất điện phân và lớp điện kép (EDL). Trong khi các nghiên cứu đã nghiên cứu sự hình thành và khử oxit trên bề mặt Pt trong môi trường axit, một số nghiên cứu đã đề cập đến vấn đề tương tự trong môi trường kiềm, hiện diện trong pin nhiên liệu và máy điện phân có màng trao đổi anion.
Những tiến bộ trong nghiên cứu môi trường kiềm
Để giải quyết khoảng trống này, một nhóm các nhà nghiên cứu do Giáo sư Masashi Nakamura từ Trường Cao học Kỹ thuật, Đại học Chiba, Nhật Bản dẫn đầu, đã nghiên cứu sâu về cơ chế hình thành oxit trên bề mặt Pt trong môi trường kiềm.
“Trong một nghiên cứu trước đây, chúng tôi đã báo cáo rằng các ion kỵ nước bề mặt có chuỗi alkyl dài có thể tăng cường ORR. Điều này cho thấy có thể xây dựng trường phản ứng bề mặt không chỉ kích hoạt ORR mà còn cải thiện độ bền của điện cực Pt bằng cách sử dụng các ion bề mặt tối ưu,” Giáo sư Nakamura giải thích.
Nghiên cứu này còn có sự đóng góp của Tiến sĩ Tomoaki Kumeda và Giáo sư Nagahiro Hoshi, cả hai đều đến từ Trường Kỹ thuật sau đại học tại Đại học Chiba, cùng với Tiến sĩ Osami Sakata từ Trung tâm Nghiên cứu Bức xạ Synchrotron tại Viện Nghiên cứu Bức xạ Synchrotron Nhật Bản. Phát hiện của họ đã được công bố trên Tạp chí của Hiệp hội Hóa học Hoa Kỳ.
Các kỹ thuật và phát hiện đổi mới
Nhóm nghiên cứu đã nghiên cứu sự hình thành oxit trên bề mặt Pt (111) trong dung dịch nước kiềm chứa các cation khác nhau, cụ thể là cation Lithium (Li+), cation Kali (K+) và cation Tetramethylammonium (TMA+), sử dụng các phương pháp tiên tiến như que cắt tinh thể tia X (CTR), quang phổ Raman tăng cường bề mặt dựa trên hạt nano vàng (GNP-SERS) và quang phổ hấp thụ phản xạ hồng ngoại (IRAS).
Giáo sư Nakamura cho biết thêm: “Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng sự kết hợp giữa quang phổ rung động và nhiễu xạ tia X có hiệu quả để làm sáng tỏ các quá trình oxy hóa bề mặt”.
TLB tia X cho thấy sự hình thành oxit dẫn đến hiện tượng vênh bề mặt và chiết xuất Pt. Các phép đo SERS và IRAS cho thấy tiềm năng và sự hình thành phụ thuộc vào cation của ba loại oxit, đó là hydroxit hấp phụ hoạt tính hồng ngoại (IR) OH (OHad), nước hấp phụ hoạt tính Raman (H2O) và oxy hoạt tính Raman (Oad). Nhóm nghiên cứu phát hiện ra rằng các cation ưa nước như Li+ ổn định OHad hoạt tính IR, do đó ngăn ngừa sự hình thành oxit có hại, trong khi tính ưa nước vừa phải của K+ không có tác dụng bảo vệ.
Điều thú vị là các cation kỵ nước cồng kềnh như TMA+ cũng làm giảm quá trình oxy hóa không thuận nghịch, tương tự như Li+. Đáng chú ý, nhóm nghiên cứu còn phát hiện ra rằng lực đẩy tĩnh điện giữa quảng cáo Raman hoạt động (H2O) và Ram lân cận
Oad hoạt động tạo điều kiện thuận lợi cho việc trích xuất Pt.
Kết luận và ý nghĩa đối với năng lượng sạch
Những kết quả này cho thấy các cation giao thoa đóng vai trò thiết yếu trong việc hình thành oxit trên bề mặt Pt, có thể được kiểm soát bằng cách chọn các cation thích hợp.
Giải thích rõ hơn về những kết quả này, Giáo sư Nakamura nhận xét: “Những hiểu biết sâu sắc này rất quan trọng để hiểu các cơ chế oxy hóa bề mặt và cấu trúc EDL, có thể mang lại lợi ích cho việc đạt được các chất xúc tác điện Pt hiệu suất cao và ổn định để sử dụng trong các thiết bị điện hóa thế hệ tiếp theo”.
Nhìn chung, nghiên cứu này đưa chúng ta tiến thêm một bước nữa trong việc đạt được một tương lai không carbon được cung cấp bởi hydro sạch và dồi dào.
Tham khảo: “Quy trình chiết xuất bề mặt trong quá trình oxy hóa ban đầu Pt(111): Ảnh hưởng của các cation kỵ nước/kỵ nước trong môi trường kiềm” của Tomoaki Kumeda, Kenshin Kondo, Syunnosuke Tanaka, Osami Sakata, Nagahiro Hoshi và Masashi Nakamura, ngày 20 tháng 3 năm 2024, Tạp chí của Hiệp hội Hóa học Hoa Kỳ.
DOI: 10.1021/jacs.3c11334
