MXene tăng cường hiệu quả của chất xúc tác để sản xuất hydro xanh
Hình ảnh bên trái cho thấy cấu trúc dạng vảy của mẫu MXene dưới kính hiển vi điện tử quét. Hình ảnh bên phải cho thấy vật liệu tổng hợp thu được sau khi coban và sắt được đưa vào cấu trúc MXene. Nguồn: HZB
Hydro xanh sẽ đóng vai trò quan trọng trong hệ thống năng lượng tương lai: có thể sử dụng để lưu trữ năng lượng hóa học, làm nguyên liệu thô cho ngành công nghiệp hóa chất và sản xuất nhiên liệu thân thiện với khí hậu. Hydro xanh có thể được tạo ra theo cách gần như trung hòa khí hậu nếu năng lượng được sử dụng cho quá trình điện phân - quá trình phân tách nước thành các nguyên tố của nó - đến từ năng lượng mặt trời hoặc gió. Tuy nhiên, cần có chất xúc tác đặc biệt để tăng tốc quá trình hình thành hydro và oxy ở hai điện cực.
Đặc biệt, phản ứng giải phóng oxy diễn ra chậm và sẽ cần nhiều năng lượng hơn đáng kể nếu không có chất xúc tác hiệu quả. Hiện tại, các chất xúc tác như vậy được làm từ kim loại quý, rất hiếm và đắt tiền. Để sản xuất hydro xanh với số lượng cần thiết với giá cả hợp lý, cần có chất xúc tác được làm từ các nguyên tố dễ kiếm.
Tại HZB, một nhóm do Michelle Browne đứng đầu đang phát triển các giải pháp thay thế tinh vi dựa trên cái gọi là MXene. MXene là các cấu trúc dạng vảy được tạo thành từ carbon và các kim loại chuyển tiếp. Các hạt hoạt động xúc tác có thể bám vào bề mặt bên trong của MXene, do đó tăng cường hiệu ứng xúc tác của chúng. Một nghiên cứu mới trên tạp chí Advanced Functional Materials hiện cho thấy ý tưởng này khả thi.
Tác giả đầu tiên của nghiên cứu, Can Kaplan, đã sử dụng các biến thể khác nhau của MXene cacbua vanadi làm cơ sở cho nghiên cứu của mình. Ông đã tận dụng cơ hội để tiến hành nghiên cứu tại phòng thí nghiệm của các đối tác Thụy Điển tại Đại học Linköping trong thời gian làm Tiến sĩ, như một phần của chương trình trao đổi trong thời gian làm Tiến sĩ.
"Ở đó, chúng tôi đã tổng hợp hai biến thể MXene: V2CTX tinh khiết và V1.8CTx với 10% chỗ trống vanadi. Những chỗ trống vanadi này đảm bảo rằng diện tích bề mặt bên trong của biến thể này lớn hơn đáng kể", Kaplan giải thích.
Nhúng CoFe vào MXene
Trong phòng thí nghiệm HZB của Browne, Kaplan đã phát triển một quy trình hóa học nhiều bước để nhúng các hạt xúc tác Co0,66Fe0,34 vào MXene. Hình ảnh chụp bằng kính hiển vi điện tử quét cho thấy quy trình này thành công; MXene tinh khiết có cấu trúc giống như bánh ngọt, nhưng cấu trúc này đã thay đổi đáng kể do sự kết hợp của các hạt coban-sắt.
Ảnh TEM của các mẫu CoFe, CFV33 và CFVv75 đã chuẩn bị. a, b) HAADF-STEM, c) HR-TEM và d) Ảnh SAED. Nguồn: Advanced Functional Materials (2025). DOI: 10.1002/adfm.202503842
Sau đó, nhóm nghiên cứu đã nghiên cứu tác động của các mẫu xúc tác khác nhau được sử dụng trong quá trình điện phân: sắt-coban tinh khiết và được trộn với một trong hai biến thể MXene. Kết quả rất rõ ràng: hợp chất sắt-coban nguyên chất cũng hoạt động như một chất xúc tác. Tuy nhiên, khi nhúng vào MXene, hiệu ứng xúc tác tăng lên đáng kể. Và hiệu quả được tăng cường hơn nữa khi hợp chất sắt-coban được nhúng vào MXene với nhiều chỗ trống.
Sử dụng phổ hấp thụ tia X tại chỗ tại nguồn synchrotron SOLEIL ở Pháp, nhóm nghiên cứu đã có thể theo dõi những thay đổi về số oxy hóa của coban và sắt trong phản ứng điện phân.
Con đường đầy hứa hẹn cho một loại chất xúc tác mới
"Chúng tôi đã thử nghiệm các chất xúc tác này ở cả quy mô phòng thí nghiệm và trong một máy điện phân lớn hơn nhiều", Kaplan nhấn mạnh. "Điều này làm cho kết quả của chúng tôi thực sự có ý nghĩa và thú vị đối với các ứng dụng công nghiệp".
"Hiện tại, ngành công nghiệp vẫn chưa coi MXene là vật liệu mang cho các hạt hoạt động xúc tác trên radar", Browne nói.
"Chúng tôi đang tiến hành nghiên cứu cơ bản tại đây, nhưng với triển vọng rõ ràng: về các ứng dụng. Kết quả của chúng tôi hiện đã cung cấp những hiểu biết ban đầu về sự tương tác phức tạp giữa cấu trúc chất mang, sự nhúng các hạt hoạt động xúc tác và hoạt động xúc tác."
Browne kết luận rằng MXene là ứng cử viên đầy hứa hẹn cho sự phát triển của các chất xúc tác sáng tạo, hiệu quả cao và giá rẻ.
Thông tin thêm: Can Kaplan và cộng sự, Enhancing CoFe Catalysts with V2CTX MXene‐Derived Materials for Anion Exchange Membrane Electrolyzers, Advanced Functional Materials (2025). DOI: 10.1002/adfm.202503842
Thông tin tạp chí: Advanced Functional Materials
Do Helmholtz Association of German Research Centres cung cấp
