Khai thác vòng quay: Chất xúc tác điện mới có thể thay đổi hiệu quả sản xuất hydro
Phân tách nước xúc tác điện, một quá trình đòi hỏi phải phân hủy nước thành hydro và oxy, là một cách tiếp cận đầy hứa hẹn để sản xuất hydro sạch cho pin nhiên liệu, từ đó có thể được sử dụng để cung cấp năng lượng cho các phương tiện điện lớn. Cho đến nay, việc sử dụng quá trình này trong thế giới thực đã bị hạn chế bởi động học chậm chạp của phản ứng tiến hóa oxy (OER), một phản ứng hóa học quan trọng xảy ra ở cực dương.
Các nhà nghiên cứu tại Viện Vật lý Hóa học Chất rắn Max-Planck, Viện Khoa học Weizmann và các viện khác gần đây đã giới thiệu một cách tiếp cận sáng tạo để đẩy nhanh phản ứng này, sử dụng bán kim loại chiral tô pô làm chất xúc tác điện.
Phát hiện của họ, được công bố trên tạp chí Nature Energy, chứng minh rằng khớp nối spin-orbit (SOC) vốn có trong các vật liệu này có thể được tận dụng để tăng cường hoạt động của OER, tạo điều kiện cho quá trình phân tách nước xúc tác điện hiệu quả hơn.
"Nghiên cứu của chúng tôi được thúc đẩy bởi nhu cầu cấp bách về các giải pháp năng lượng sạch và bền vững", Xia Wang, tác giả đầu tiên của bài báo, nói với Tech Xplore.
"Cụ thể, chúng tôi nhằm mục đích giải quyết thách thức cải thiện phân tách nước xúc tác điện để sản xuất hydro, tập trung vào OER, một bước quan trọng thường bị cản trở bởi động học chậm chạp. Nguồn cảm hứng đến từ các đặc tính vận chuyển electron đặc biệt của bán kim chiral tô pô, cung cấp một con đường đầy hứa hẹn để giải quyết những hạn chế của chất xúc tác truyền thống.
Mục tiêu chính của nghiên cứu gần đây của Wang và các đồng nghiệp của cô là khai thác các tính chất lượng tử của bán kim chiral tô pô để nâng cao hiệu quả OER. Để đạt được điều này, trước tiên nhóm nghiên cứu đã tổng hợp một loạt các bán kim loại chiral tô pô dựa trên Rh với các cường độ SOC khác nhau, bao gồm RhSi, RhSn và RhBiS.
Wang giải thích: "Những vật liệu này có cả tính chirality hình học có trật tự cao và tính chirality điện tử, cho phép tạo ra các chất mang phân cực spin quan trọng để tăng cường hoạt động xúc tác.
"Bằng cách so sánh hiệu suất của chúng với các vật liệu tham chiếu achiral, chúng tôi đã
Kết quả do Wang và các đồng nghiệp thu thập cho thấy mối liên hệ trực tiếp giữa sức mạnh của SOC trong bán kim chiral tô pô, sự phân cực của spin và hoạt động xúc tác của vật liệu. Phát hiện quan trọng này có thể hướng dẫn thiết kế tương lai của chất xúc tác điện để tách nước, dẫn đến việc xác định các vật liệu tô pô dẫn đến hoạt động OER tối ưu.
"Thành tựu đáng chú ý nhất của nghiên cứu của chúng tôi là xác nhận thực nghiệm về mối liên hệ trực tiếp giữa hiệu suất SOC và OER, thiết lập một nguyên tắc thiết kế mạnh mẽ cho các chất xúc tác phụ thuộc vào spin", Wang nói. "Trong số các vật liệu chúng tôi nghiên cứu, RhBiS nổi lên như một chất hoạt động nổi bật, thể hiện hoạt động OER đáng chú ý, với hoạt động cụ thể vượt xa các chất xúc tác thông thường."
Công việc gần đây của nhóm các nhà nghiên cứu này cuối cùng có thể giúp đẩy nhanh sự phát triển của các công nghệ tách nước tiên tiến. Điều này có thể tạo điều kiện thuận lợi cho việc áp dụng các giải pháp năng lượng dựa trên hydro xanh, bao gồm
"Công trình này đặt nền tảng cho việc sử dụng khớp nối quay quỹ đạo như một công cụ để thiết kế các chất xúc tác tô pô hiệu quả hơn", Giáo sư Maggie Lingerfelder tại EPFL, một chuyên gia trong lĩnh vực này cho biết.
"Theo quan điểm của tôi, khớp nối quỹ đạo spin là một khía cạnh chưa được khám phá trong thiết kế chất xúc tác chọn lọc, nhưng nó có khả năng giải thích tại sao Pt thể hiện hành vi xúc tác linh hoạt như vậy trên các phản ứng khác nhau. Công trình này mở ra những con đường thú vị cho việc khám phá trong tương lai, vì nó đưa cộng đồng vật lý trạng thái rắn đến gần hơn với các ứng dụng của vật liệu tô pô chiral trong hóa học kiểm soát spin.
Trong các nghiên cứu tiếp theo, Wang và các đồng nghiệp của cô có kế hoạch xây dựng dựa trên những phát hiện của họ, mở rộng các nghiên cứu của họ sang các vật liệu tô pô khác với các tính chất điện tử và từ tính khác nhau. Điều này có thể cho phép họ tối ưu hóa hơn nữa việc tạo sóng mang phân cực spin.
"Chúng tôi cũng có kế hoạch tập trung vào các ứng dụng trong thế giới thực bằng cách phát triển các chất xúc tác có thể mở rộng, hiệu quả về chi phí và đánh giá hiệu suất của chúng trong các môi trường liên quan đến công nghiệp", Wang nói thêm.
"Bằng cách thu hẹp khoảng cách giữa nghiên cứu cơ bản và thực hiện thực tế, chúng tôi hy vọng sẽ đóng góp có ý nghĩa vào sự tiến bộ của các công nghệ năng lượng bền vững."
