Kỹ thuật biến dạng đàn hồi thúc đẩy sản xuất hydro xanh với chất xúc tác giá cả phải chăng
Ngày 20 tháng 1 năm 2026 bởi IMDEA Materials
Điều chỉnh hoạt tính điện xúc tác của các hợp chất liên kim loại cho phản ứng tạo hydro thông qua kỹ thuật biến dạng đàn hồi. Ảnh: Jorge Redondo, Viện Vật liệu IMDEA.
Các nhà nghiên cứu từ Viện Vật liệu IMDEA đã chứng minh các vật liệu xúc tác được cải tiến và giá cả phải chăng hơn được sử dụng để sản xuất hydro xanh.
Trong một nghiên cứu được công bố trên tạp chí ACS Catalysis, màng mỏng liên kim loại được làm từ ba hợp kim giá rẻ: bạc và indi (Ag₃In), niken và sắt (Ni₃Fe) và niken và thiếc (Ni₃Sn), cho thấy sự gia tăng đáng kể về hiệu quả xúc tác cho phản ứng tạo hydro (HER) khi chịu tác động của các biến dạng đàn hồi được kiểm soát.
Những phát hiện này chỉ ra rằng kỹ thuật biến dạng đàn hồi là một hướng đi đầy hứa hẹn để phát triển các chất xúc tác giá cả phải chăng có thể thay thế các kim loại nhóm bạch kim trong sản xuất hydro công nghiệp.
Khai phá tiềm năng của hydro xanh: Vượt ra ngoài kim loại bạch kim đắt đỏ
Hydro được tạo ra từ quá trình điện phân sử dụng năng lượng tái tạo hiện được coi là yếu tố then chốt trong quá trình chuyển đổi toàn cầu hướng tới năng lượng không carbon.
Tuy nhiên, hiệu quả của nó phụ thuộc rất nhiều vào chất xúc tác giúp tăng tốc quá trình phân tách các phân tử nước: điện phân nước. Quá trình này tạo ra hydro tinh khiết gần 100% và có thể được mở rộng quy mô công nghiệp.
Để tạo điều kiện thuận lợi cho phản ứng tạo hydro (HER) cần thiết trong quá trình này, bạch kim vẫn là vật liệu tiêu chuẩn, được đánh giá cao về hoạt tính và độ bền. Tuy nhiên, chi phí cao và nguồn cung hạn chế của nó là những rào cản lớn đối với việc triển khai quy mô lớn.
"Do đó, có một động lực mạnh mẽ để tìm ra các chất thay thế giá cả phải chăng có thể cạnh tranh với các kim loại nhóm Pt về hiệu suất xúc tác," nghiên cứu nhấn mạnh.
Ứng dụng biến dạng đàn hồi vào vật liệu để tăng cường hiệu suất xúc tác
Thay vì cố gắng phát triển các vật liệu hoàn toàn mới với đặc tính tương đương hoặc vượt trội so với bạch kim, nhóm nghiên cứu Vật liệu IMDEA đã hướng đến việc chứng minh cách cải thiện tính chất xúc tác của ba hợp kim liên kim loại hiện có: Ag₃In, Ni₃Fe và Ni₃Sn, thông qua kỹ thuật biến dạng đàn hồi.
Các vật liệu này được lựa chọn vì tính sẵn có và giá cả phải chăng, không chứa các nguyên tố độc hại và nguy hiểm, cũng như tính ổn định hóa học trong môi trường kiềm.
Nhóm nghiên cứu đã điều tra xem việc tạo ra biến dạng đàn hồi, bằng cách kéo giãn (kéo căng) hoặc nén (ép chặt), có thể làm thay đổi cách các bề mặt xúc tác liên kết với các nguyên tử hydro, một bước quan trọng trong quá trình HER hay không.
Kết quả đầy hứa hẹn cho thấy biến dạng đàn hồi khoảng 1% dẫn đến những thay đổi đáng kể trong hoạt tính bề mặt, có thể được sử dụng để điều chỉnh hiệu suất xúc tác cho quá trình HER.
Theo ấn phẩm này, "biến dạng kéo giãn đã cải thiện hoạt tính xúc tác (và làm giảm độ dốc Tafel và điện trở truyền tải điện tích) trên Ag₃In, trong khi biến dạng nén có tác dụng tương tự trên Ni₃Fe, Ni₃Sn và Pt."
Trong một trường hợp đáng chú ý, một mẫu hợp kim Ni₃Sn được kéo giãn 1,26% đã đạt được 71% hiệu suất của bạch kim.
Một bản kế hoạch cho các chất xúc tác hydro được tối ưu hóa bằng biến dạng
Nghiên cứu này, do các nhà nghiên cứu hiện tại hoặc trước đây của IMDEA Materials thực hiện: Jorge Redondo, Tiến sĩ Jayachandran Subbian, Tiến sĩ Miguel Monclús, Tiến sĩ Valentín Vassilev Galindo, Giáo sư Jon Molina và Giáo sư Javier LLorca, cung cấp một trong những minh chứng thực nghiệm đầu tiên được phân lập và định lượng về cách biến dạng đàn hồi, không có khuyết tật hoặc nứt vỡ, có thể điều chỉnh các tính chất xúc tác của vật liệu.
“Công trình này dựa trên nghiên cứu trước đây của chúng tôi tại IMDEA Materials và Đại học Kỹ thuật Madrid, khẳng định rằng biến dạng đàn hồi do hợp kim nhớ hình dạng tạo ra có thể cải thiện hiệu quả xúc tác trong màng mỏng Au,” Redondo, một trong những tác giả của cả hai bài báo, cho biết.
“Lần này, nhóm nghiên cứu đã tiến xa hơn để phát triển các ứng cử viên liên kim loại tiềm năng để thay thế chất xúc tác bạch kim,” ông nói thêm.
Công trình này cung cấp một nền tảng có thể đẩy nhanh việc khám phá các chất xúc tác sản xuất hydro mới. Điều này đặc biệt quan trọng khi các nhà nghiên cứu tiếp tục khám phá các kim loại không quý và các hợp chất liên kim loại được đề xuất bởi các nghiên cứu sàng lọc bằng máy học.
Thông tin xuất bản
J. Redondo và cộng sự, Điều chỉnh hoạt tính điện xúc tác của các hợp chất liên kim loại cho phản ứng tạo hydro thông qua kỹ thuật biến dạng đàn hồi, ACS Catalysis (2025). DOI: 10.1021/acscatal.5c04366
Thông tin tạp chí: ACS Catalysis
