Khám phá cơ chế exsolution không cần hydrogen cho điện cực không khí pin nhiên liệu oxit rắn

Ngày: 1 tháng 8, 2026

By Annie Nguyễn

Bối cảnh nghiên cứu

Pin nhiên liệu oxit rắn (SOC) là hệ thống chuyển đổi năng lượng điện hóa hiệu suất cao, nhưng điện cực không khí của chúng bị giới hạn bởi sự suy thoái bề mặt ở nhiệt độ vận hành 600-900°C. Hai cơ chế suy thoái chính bao gồm sự kết tụ hoặc bong tróc nhanh chóng của bề mặt điện cực, và sự phân tách cation A-site (Sr²⁺ hoặc Ba²⁺) về phía bề mặt, tạo thành các pha thứ cấp cách điện làm giảm hoạt tính xúc tác cho phản ứng khử và giải phóng oxy (ORR/OER).

Các phương pháp biến tính bề mặt truyền thống như phủ kim loại Pt, Pd, Ag, Ru ban đầu cải thiện động học phản ứng, nhưng lợi ích này chỉ tồn tại tạm thời vì các hạt nano dễ bị kết tụ, bay hơi hoặc bong tróc ở nhiệt độ cao (>450°C).

Công nghệ exsolution và thách thức

Exsolution (quá trình tách kim loại ra khỏi mạng tinh thể perovskite) đã nổi lên như một chiến lược mạnh mẽ để tăng cường hiệu suất điện cực không khí. Các hạt nano exsolved được gắn chặt vào bề mặt perovskite, có khả năng chống lại sự kết tụ.

Tuy nhiên, exsolution thông thường yêu cầu môi trường khử mạnh (thường là H₂) để tạo ra các vacancy oxy và di chuyển cation B-site lên bề mặt. Yêu cầu này làm cho exsolution không tương thích với điện cực không khí, vốn hoạt động trong môi trường oxy hóa nhiệt độ cao.

Đột phá: Exsolution không cần hydrogen

Nhóm nghiên cứu từ Đại học Quốc gia Singapore và các đối tác quốc tế đã báo cáo một con đường exsolution không cần hydrogen, hình thành trực tiếp các hợp kim nano Ir-Fe được gắn chặt trên bề mặt perovskite trong môi trường không khí.

Bằng cách khai thác ái lực hóa học nội tại và tính trộn lẫn rộng rãi giữa iridium (Ir) và sắt (Fe), nhóm nghiên cứu đã chứng minh rằng các hạt nano Ir được lắng đọng bằng phương pháp ALD (Atomic Layer Deposition) hoạt động như các bể hấp thụ nhiệt động lực học, phân phối lại một cách chọn lọc Fe từ perovskite Sr₂Fe₁.₅Mo₀.₅O₆₋δ (SFMO) trong quá trình ủ trong không khí. Quá trình này tạo ra các hợp kim nano Ir-Fe được gắn chặt mà không cần khí khử.

Cơ chế hoạt động

Ái lực hợp kim thay thế khử hydro: Nghiên cứu chứng minh rằng nhiệt động lực học hình thành hợp kim có thể thay thế quá trình khử hydro bên ngoài như động lực chính cho exsolution. Khi các hạt nano Ir (được lắng đọng bằng ALD) trên bề mặt SFMO được nung nóng trong không khí ở 800°C, chúng hoạt động như các "bể hấp thụ" hút Fe từ mạng tinh thể SFMO, hình thành hợp kim nano Ir-Fe được gắn chặt.

Bằng chứng thực nghiệm: Các phân tích TEM, STEM-EDX, XPS và EXAFS đã xác nhận sự hình thành hợp kim Ir-Fe, với sự xuất hiện của các đỉnh phối trí Ir-Fe ở khoảng cách 2.5 Å và 3.7 Å trong phổ EXAFS, cùng với sự xuất hiện của đỉnh kim loại Fe-Fe(Ir) ở khoảng 2.2 Å trong phổ Fe K-edge EXAFS, chỉ xuất hiện trong mẫu có phủ Ir sau khi ủ.

Hiệu suất điện hóa

Các điện cực SFMO được gắn hợp kim Ir-Fe thể hiện hoạt tính và độ ổn định được cải thiện ở 800°C. Điện trở phân cực (Rp) không chỉ thấp hơn ban đầu (0,53 Ω cm² so với 0,60 Ω cm² của SFMO trần) mà còn duy trì ổn định trong 50 giờ vận hành. Trong khi đó, SFMO trần bị suy thoái nghiêm trọng với Rp tăng hơn 50%.

Phân tích DRT (Distribution of Relaxation Times) cho thấy các hợp kim nano Ir-Fe đặc biệt tăng cường động học trao đổi oxy bề mặt, trong khi phản ứng khối tần số cao không thay đổi. Hơn nữa, cấu trúc gắn chặt của các hạt nano giúp ngăn chặn sự kết tụ và bong tróc, đồng thời giảm động lực phân tách Sr, cải thiện độ ổn định lâu dài.

Ý nghĩa và ứng dụng

Nghiên cứu này mở ra một hướng đi mới cho kỹ thuật bề mặt điện cực không khí SOC, tránh được nhu cầu xử lý khử trước. Nguyên tắc ái lực hợp kim có thể cung cấp một khái niệm thiết kế hữu ích để thúc đẩy quá trình tái cấu trúc bề mặt giống exsolution trong các perovskite chứa Fe cho điện cực không khí, hướng tới các bề mặt/interface xúc tác ổn định cho pin nhiên liệu oxit rắn thế hệ tiếp theo.

Xem bài báo chi tiết: https://pubs.rsc.org/ee/article/19/14/4597/1267035/Hydrogen-free-exsolution-of-Ir-Fe-nanoalloys-on