Khám phá đột phá hứa hẹn tăng sản lượng hydro lên hơn 1000% bằng cách sử dụng kim loại thông thường
Giấc mơ về một nền kinh tế hydro bền vững vừa có bước tiến vượt bậc. Các nhà khoa học đã phát triển một phương pháp đột phá để sản xuất hydro không chỉ có thể cắt giảm sự phụ thuộc vào kim loại hiếm mà còn tăng đáng kể hiệu quả. Khám phá này, tập trung vào việc sử dụng mangan theo cách mới, mở ra cái nhìn thoáng qua về tương lai sạch hơn, bền vững hơn.
Một cuộc cách mạng trong điện phân nước
Trong hành trình tìm kiếm một nền kinh tế năng lượng sạch hơn, điện phân nước là trọng tâm chính. Bằng cách phân tách các phân tử nước thành hydro và oxy, quy trình này cung cấp một cách để sản xuất nhiên liệu hydro với lượng khí thải carbon bằng không. Tuy nhiên, các phương pháp truyền thống phụ thuộc rất nhiều vào các kim loại hiếm như iridi, tạo ra những thách thức về tính bền vững và khả năng mở rộng.
Hãy tham gia nhóm nghiên cứu do Ryuhei Nakamura dẫn đầu, người có phương pháp tiếp cận sáng tạo có tiềm năng viết lại các quy tắc sản xuất hydro. Bằng cách thiết kế lại cấu trúc ba chiều của chất xúc tác gốc mangan, họ đã đạt được bước đột phá giúp tăng cường độ ổn định và kéo dài tuổi thọ của phản ứng—một bước quan trọng hướng tới việc biến năng lượng hydro trở nên thiết thực và giá cả phải chăng.
Vượt qua kim loại hiếm
Một trong những rào cản quan trọng nhất đối với việc mở rộng quy mô sản xuất hydro là sự phụ thuộc vào kim loại hiếm. Ví dụ, iridi là thành phần thiết yếu trong quá trình điện phân màng trao đổi proton (PEM), một phương pháp được ca ngợi vì hiệu quả của nó. Tuy nhiên, sản lượng iridi toàn cầu hiện nay sẽ giảm đáng kể nếu các hệ thống PEM được mở rộng lên mức terawatt, đòi hỏi hơn 40 năm sản xuất để đáp ứng nhu cầu.
Nhóm của Nakamura đã giải quyết thách thức này một cách trực diện, phát triển một quy trình sử dụng oxit mangan (MnO₂)—một vật liệu dồi dào trên Trái đất—thay vì kim loại hiếm. Sự đổi mới này mở ra cánh cửa cho việc sản xuất hydro quy mô lớn mà không làm cạn kiệt các nguồn tài nguyên khan hiếm, giúp công nghệ này vừa bền vững vừa khả thi về mặt kinh tế.
Sức mạnh của oxit mangan
Chìa khóa cho khám phá này nằm ở việc thao tác cấu trúc của oxit mangan. Mạng lưới ba chiều của chất xúc tác bao gồm hai cấu hình oxy—phẳng và hình chóp. Bằng cách tăng tỷ lệ oxy phẳng, các nhà nghiên cứu đã cải thiện đáng kể độ ổn định của chất xúc tác trong phản ứng giải phóng oxy (OER), một bước quan trọng trong quá trình phân tách nước.
Trong các thử nghiệm, một mẫu oxit mangan với 94% oxy phẳng duy trì độ ổn định OER trong môi trường axit trong một tháng ở mật độ dòng điện là 1000 mA/cm². Để hiểu rõ hơn, điện tích được truyền trong phản ứng này lớn hơn 100 lần so với những gì các nghiên cứu trước đây đã đạt được.
Kết quả phá kỷ lục
Khi được thử nghiệm trong máy điện phân PEM, chất xúc tác mới duy trì quá trình điện phân nước ở mức 200 mA/cm² trong sáu tuần, tạo ra hydro với tốc độ cao gấp mười lần so với các chất xúc tác không phải kim loại hiếm khác. Ấn tượng hơn nữa, độ ổn định được cải thiện này diễn ra mà không làm mất đi hoạt tính—một vấn đề thường gặp ở các chất xúc tác thay thế.
Sự kết hợp giữa hiệu quả và độ bền này đặt ra một chuẩn mực mới cho các máy điện phân PEM sử dụng vật liệu có nhiều trong đất. Đây là bước tiến đáng kể hướng tới sản xuất hydro quy mô lớn mà không bị hạn chế về mặt môi trường và kinh tế do kim loại hiếm gây ra.
Mở đường cho một tương lai bền vững
Mặc dù các ứng dụng công nghiệp vẫn còn cách xa vài bước nữa, nhưng ý nghĩa của nghiên cứu này là rất sâu sắc. Nhóm nghiên cứu lạc quan rằng những sửa đổi tiếp theo đối với cấu trúc của chất xúc tác có thể tăng cường mật độ dòng điện và tuổi thọ của nó hơn nữa, đưa mục tiêu điện phân PEM không chứa iridi đến gần hơn với thực tế.
Bước đột phá này không chỉ là về việc thúc đẩy công nghệ mà còn là về việc định nghĩa lại cách chúng ta nghĩ về tính bền vững trong sản xuất năng lượng. Khi thế giới đang chạy đua để đạt được mức trung hòa carbon, những đổi mới như thế này sẽ đóng vai trò then chốt trong việc định hình một tương lai sạch hơn, xanh hơn.
Hydro từ lâu đã được ca ngợi là một nhân tố chủ chốt trong cuộc chiến chống biến đổi khí hậu. Nhờ khám phá đáng chú ý này, chúng ta đã tiến thêm một bước nữa để khai thác hết tiềm năng của nó.
Mời các đối tác xem hoạt động của Công ty TNHH Pacific Group.
FanPage: https://www.facebook.com/Pacific-Group
YouTube: https://www.youtube.com/@PacificGroupCoLt
