Trong thời đại mà việc tìm kiếm các nguồn năng lượng bền vững trở nên quan trọng, các nhà nghiên cứu đang không ngừng khám phá những con đường đổi mới để tăng cường quy trình sản xuất nhiên liệu. Một trong những công cụ quan trọng nhất trong việc chuyển đổi năng lượng hóa học thành năng lượng điện và ngược lại là chất xúc tác điện, chất này đã được sử dụng trong nhiều công nghệ năng lượng xanh khác nhau.
Chuyển động của dòng bong bóng trong từ trường. a , b Sơ đồ hệ thống điện từ và hình ảnh tế bào điện hóa. c Sự thay đổi góc chuyển động của dòng bong bóng H 2 so với phương thẳng đứng (φ) là hàm của dòng phản ứng và hướng của từ trường. Giá trị từ trường âm đề cập đến cùng cường độ từ trường nhưng có hướng ngược lại. d Góc lệch (φ) đối với bong bóng H 2 (HER) và đối với bong bóng O 2 (OER), là hàm của cường độ từ trường khi dòng phản ứng tuyệt đối là 1 mA. Nhà cung cấp: Truyền thông Tự nhiên (2024). DOI: 10.1038/s41467-024-46980-8
Xúc tác điện làm tăng tốc độ phản ứng điện hóa thông qua việc sử dụng chất xúc tác—các chất làm tăng tốc độ phản ứng mà không bị tiêu hao. Xúc tác điện là nền tảng trong các thiết bị như pin nhiên liệu và máy điện phân, trong đó nó cho phép chuyển đổi hiệu quả các loại nhiên liệu như hydro và oxy thành điện năng, hoặc nước thành hydro và oxy, tạo điều kiện thuận lợi cho một chu trình năng lượng sạch.
Nhưng vấn đề là hiệu quả. Các phương pháp xúc tác điện truyền thống thường không thể tối đa hóa sự vận chuyển chất phản ứng đến bề mặt chất xúc tác, đây là một bước quan trọng trong quá trình chuyển đổi năng lượng. Điều này làm giảm hiệu suất tổng thể của phản ứng và làm chậm tiến độ hướng tới các giải pháp năng lượng sạch của chúng tôi.
Giờ đây, các nhà khoa học do Magalí Lingenfelder dẫn đầu tại EPFL đã phát triển một phương pháp mới để theo dõi các quy trình cơ bản nhằm nâng cao hiệu quả sản xuất nhiên liệu sạch. Được xuất bản trên tạp chí Nature Communications, công trình tập trung vào sự giao thoa đầy hứa hẹn giữa từ trường và xúc tác điện, đưa ra con đường hướng tới các công nghệ sản xuất nhiên liệu hiệu quả và thân thiện với môi trường hơn.
Nghiên cứu cho thấy rằng việc bao quanh các chất xúc tác bằng từ trường sẽ tạo ra lực Lorentz – lực mà từ trường tác dụng lên các điện tích chuyển động. Chúng lần lượt tạo ra các chuyển động xoáy giúp tăng cường chuyển động của chất phản ứng và sản phẩm ở bề mặt chất xúc tác, đảm bảo phản ứng ổn định và nhanh hơn nhưng cũng khắc phục được những hạn chế do khan hiếm chất phản ứng, một trở ngại phổ biến trong các phản ứng như phản ứng khử oxy (ORR), quan trọng đối với pin nhiên liệu.
Động học phản ứng và hiệu ứng vận chuyển khối lượng trong xúc tác điện. Nhà cung cấp: Truyền thông Tự nhiên (2024). DOI: 10.1038/s41467-024-46980-8
Để làm được tất cả những điều này, các nhà nghiên cứu phải chế tạo một công cụ để quan sát chuyển động của các ion trong thời gian thực dưới từ trường, sử dụng thiết lập điện hóa từ tiên tiến. Để thiết lập phức tạp thực sự, Lingenfelder đã tìm đến người hàng xóm cùng văn phòng và chuyên gia về điện tử học spin, Giáo sư Jean-Philippe Ansermet, người cũng đã nghiên cứu các hiệu ứng spin trong điện hóa học.
Cô nói: “Chúng tôi đã điều chỉnh nam châm điện của Jean-Philippe để đo hiệu ứng từ trường lên các phản ứng xúc tác điện quan trọng đối với năng lượng xanh”. "Sử dụng một thủ thuật sáng tạo do Priscila và Yunchang [các tác giả đầu tiên của nghiên cứu] phát triển, chúng tôi có thể theo dõi tại chỗ cách các ion di chuyển trong chất điện phân dưới từ trường và cung cấp nền tảng vững chắc về cách áp dụng từ trường để tăng cường xúc tác điện theo cách có thể tái sản xuất được."
Bằng cách áp dụng từ trường vào các điện cực không có từ tính và theo dõi các phản ứng, các nhà khoa học có thể tách rời các tác động khác nhau và quan sát cách lực từ có thể khuấy động và tăng cường chuyển động của các chất phản ứng xung quanh chất xúc tác. Quá trình này, giống như việc tạo ra các xoáy nước thu nhỏ, cải thiện đáng kể hiệu suất của các phản ứng quan trọng trong sản xuất hydro xanh, mang đến một con đường đầy hứa hẹn để thúc đẩy các công nghệ năng lượng bền vững.
Phương pháp mới có thực tế không? Trong nghiên cứu, các nhà khoa học cho thấy hoạt động của phản ứng khử oxy do từ trường gây ra trên các giao diện không từ tính tăng hơn 50%. Điều này thể hiện bước nhảy vọt đáng kể về hiệu quả, nhưng quan trọng nhất là cho phép nhóm nghiên cứu giải quyết nhiều tranh cãi cơ bản trong lĩnh vực này bằng cách chứng minh các cơ chế và điều kiện cần thiết để từ trường tăng cường các phản ứng xúc tác điện khác nhau liên quan đến các sản phẩm khí hoặc chất phản ứng như hydro và oxy.
Nghiên cứu vạch ra hướng sử dụng từ trường để cải thiện hiệu quả của quá trình điện phân có thể thúc đẩy chúng ta hướng tới sản xuất nhiên liệu bền vững hiệu quả hơn. Nó có thể cách mạng hóa các công nghệ chuyển đổi năng lượng, làm cho pin nhiên liệu được sử dụng rộng rãi hơn, ví dụ như trong các phương tiện chạy bằng hydro và tăng cường sản xuất hydro như một nguồn năng lượng sạch, đồng thời giảm thiểu tác động của việc tiêu thụ năng lượng của chúng ta đối với biến đổi khí hậu trên hành tinh.
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
