Phương pháp Phân tích thế hóa học có thể hiệu quả hơn phương pháp Van't Hoff không?
Stephan Lany của NREL đề xuất một ngôn ngữ chung mới để giúp các nhà nghiên cứu nhiệt hóa học mặt trời lựa chọn vật liệu oxy hóa khử có thể tạo ra hydro xanh hiệu quả nhất. Ông đã công bố đề xuất này trên Tạp chí của Hiệp hội Hóa học Hoa Kỳ Phân tích tiềm năng hóa học như một phương pháp thay thế cho phương pháp van't Hoff: Giới hạn giả thuyết của hydro nhiệt hóa học mặt trời .
Tại sao điều này quan trọng
Phân tách nhiệt hóa học nước và carbon dioxide bằng năng lượng mặt trời là một phương pháp đầy hứa hẹn để chuyển đổi năng lượng mặt trời thành nhiên liệu trên quy mô lớn, có khả năng bổ sung thêm một công nghệ tái tạo khác để thay thế cho hydro được tạo ra từ nhiên liệu hóa thạch và nhiên liệu hàng không.
Ceria (CeO2) hiện là vật liệu oxit chuẩn cho quá trình phân tách nước với chu trình khử và oxy hóa hai bước. (Ở đây, khử là giải phóng oxy từ oxit rắn, và oxy hóa là bổ sung O từ hơi nước H2O, tạo ra H2). Tuy nhiên, sản xuất hydro của CeO2 rất hạn chế trừ khi quá trình khử được thực hiện ở nhiệt độ rất cao là 1500°C hoặc thậm chí cao hơn.
Mặc dù một số nhà nghiên cứu năng lượng mặt trời tiếp cận vấn đề này bằng cách thiết kế các lò phản ứng và bộ thu có khả năng chịu được nhiệt độ cao hơn, nhưng việc tìm ra một vật liệu oxy hóa khử mới có thể hiệu quả như ceria trong việc phân tách nước trong quá trình oxy hóa nhưng giải phóng nhiều oxy hơn trong quá trình khử dưới 1400°C có thể là bước ngoặt đối với các nhiên liệu năng lượng mặt trời này.
“Có hàng chục nghìn oxit được biết đến trong thành phần và cấu trúc tinh thể của chúng”, ông giải thích trong một cuộc gọi từ Colorado. “Nhưng không phải tất cả chúng đều được mô tả và đánh giá xem chúng có hoạt động hay không. Tuy nhiên, làm sao chúng ta biết được một vật liệu ứng cử viên mới được dự đoán sẽ hoạt động tốt như thế nào?”
Lany đề xuất một phương pháp phân tích khác để đảm bảo lý thuyết và thực nghiệm thống nhất và có thể tạo ra vòng phản hồi tích cực, đây là điều kiện tiên quyết để phát triển vật liệu mới hoặc tìm cách cải thiện ceria.
Phương pháp phân tích truyền thống hoạt động như thế nào
Phương pháp phân tích truyền thống để xác định enthalpy và entropy phản ứng cho các quá trình như sản xuất nhiên liệu nhiệt hóa học mặt trời là phương pháp van't Hoff, mà Lany mô tả là có phần lỗi thời và lạc hậu.
Hạn chế của phương pháp này là nó trộn lẫn các tính chất của khí thăm dò với các oxit đang được nghiên cứu, điều này có thể làm lu mờ tầm nhìn về các tính chất quan trọng.
Lany giải thích:
Trong nhiệt hóa học, điều chúng ta quan tâm, theo quan điểm hóa học chính thức, là năng lượng tự do.
“Năng lượng tự do là loại phương trình chi phối và đó là một quy tắc rất chung trong hóa học rằng bất kỳ quá trình nào cũng hoạt động để giảm thiểu năng lượng tự do. Đây là động lực cho tất cả các phản ứng. Và nếu chúng ta xem xét năng lượng tự do của phản ứng khử là gì, thì có một phần liên quan đến các tính chất trạng thái rắn. Điều đó có nghĩa là oxit rắn, ở dạng oxy hóa và dạng khử của nó. Ngoài ra còn có một phần xuất phát từ thực tế là chúng ta đưa oxy ra khỏi oxit vào pha khí. Năng lượng tự do có hai đóng góp, enthalpy và entropy. Và tổng năng lượng tự do là enthalpy trừ nhiệt độ nhân với entropy. Van't Hoff tách năng lượng tự do thành enthalpy và entropy, nhưng nó không tách phần đến từ oxit ở trạng thái rắn và phần đến từ oxy ở pha khí.”
Tại sao phương pháp phân tích thế hóa học lại tốt hơn
Thay vào đó, Lany áp dụng một phương pháp mới, phương pháp phân tích thế hóa học, giúp hiểu rõ hơn về cơ chế khuyết tật và tác động của chúng lên hành vi vật liệu. Phương pháp thế hóa học không chỉ tách biệt các đóng góp của pha rắn và pha khí mà còn cho phép phân tích sự phụ thuộc nhiệt độ của enthalpy và entropy, có thể tiết lộ các chi tiết quan trọng cần thiết để thiết kế vật liệu tốt hơn.
Lany giải thích:
“Đây là cách hiện đại hơn để xử lý dữ liệu bằng cách sử dụng các mối quan hệ chức năng có thể định nghĩa tự do hơn. Mối quan hệ tuyến tính lý tưởng trong phương pháp van't Hoff truyền thống rất hữu ích vào thời điểm phân tích dữ liệu được thực hiện bằng giấy kẻ ô vuông và thước kẻ, nhưng nó chỉ đúng với enthalpy và entropy không đổi. Với phương pháp thế hóa học, chúng ta có thể dễ dàng xác định sự phụ thuộc của nhiệt độ,”
Phương pháp tiếp cận mới này cho phép phân tích chi tiết hơn về hành vi của vật liệu, cung cấp những manh mối quan trọng về cơ chế hóa học và vật lý quyết định các tính chất nhiệt hóa học.
Nghiên cứu của Lany đã thử nghiệm phương pháp phân tích mới này trên ba hệ thống mô hình tính toán bao gồm ceria, cho thấy hành vi độc đáo do cách các electron có thể phân phối lại khi các nguyên tử O bị loại bỏ khỏi mạng tinh thể. Quá trình này phụ thuộc vào nhiệt độ và cuối cùng chịu trách nhiệm cho khả năng của CeO2 tạo ra hỗn hợp H2/H2O cô đặc trong khi hầu hết các oxit khác phân tách nước, nếu có, thì chỉ trong điều kiện rất loãng như 1/1000.
Theo dõi sự phụ thuộc vào nhiệt độ của enthalpy và entropy là một cách để nhận ra hành vi khiến CeO2 trở nên đặc biệt. Lany hy vọng rằng đây có thể trở thành ngôn ngữ chung mới để tạo ra mối liên hệ giữa các quan sát thực nghiệm và các mô hình lý thuyết. Ông nói: "Tôi nghĩ đây là một ý tưởng rất hữu ích cho những người trong ngành nhiệt hóa học thực hiện phân tích nhiệt trọng lượng và cố gắng chắt lọc những hiểu biết sâu sắc về cơ chế khử trong vật liệu từ các phép đo của họ."
Một hành động cân bằng
Mặc dù việc biến đổi ceria hoặc phát hiện ra oxit mới có thể cải thiện hiệu suất, nhưng việc tăng bước khử thường làm xấu đi bước oxy hóa trong chu trình oxy hóa khử, hạn chế sản xuất hydro. Mục tiêu là cân bằng các đặc tính khử và oxy hóa để tối ưu hóa hiệu suất vật liệu cho quá trình tạo nhiên liệu mặt trời.
Lany nói:
“Tôi lấy ceria làm vật liệu cơ bản, sau đó tôi tự hỏi, Được rồi, loại vật liệu khác cần có những tính chất nào để cải thiện hành vi của ceria,”
“Tôi chỉ đang cân nhắc xem liệu chúng ta có thể thiết kế những vật liệu tương tự nhưng khác với ceria không – chúng ta có thể đạt được gì để tách nước bằng những vật liệu đó? Tôi có xu hướng thiên về những vật liệu mới, nhưng tôi cũng không loại trừ khả năng biến đổi ceria; thường là thứ gì đó giống như hợp kim hóa hoặc pha tạp vật liệu, trong đó chúng ta thêm một hoặc nhiều nguyên tố bổ sung.”
Bài báo của Lany mô tả cách ngôn ngữ chung mới được đề xuất được sử dụng để kết nối các khuyết tật và tính chất vật liệu khác nhau với các tính chất nhiệt hóa học (sự phụ thuộc vào nhiệt độ của enthalpy và entropy) và từ đó đến hiệu suất phân tách nước của các vật liệu hiện có và giả thuyết, đặc biệt là xem xét cả tổng lượng H2 đầu ra và tỷ lệ H2/H2O trong bước oxy hóa.
Ngôn ngữ chung mới để đẩy nhanh nghiên cứu hydro mặt trời.
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
