Nghiên cứu của Đại học Monash mở ra con đường sản xuất hydro xanh giá rẻ với chất xúc tác coban ổn định
Ảnh chụp hiển vi điện tử quét của chất xúc tác gốc coban trên chất nền (ảnh chụp hiển vi được tô màu thủ công; bọt khí và tia sáng được thêm vào một cách nhân tạo). Nguồn: Tiến sĩ Marc Tesch, Viện Chuyển đổi Năng lượng Hóa học Max-Planck
Các nhà khoa học đã thực hiện một bước tiến lớn trong việc giải quyết một trong những thách thức lớn nhất mà hydro xanh đang phải đối mặt: sự khan hiếm iridi, một kim loại quý hiếm và đắt tiền, rất quan trọng đối với các phương pháp sản xuất hiện tại.
"Hiện tại, công nghệ tiên tiến nhất cho sản xuất hydro bền vững sử dụng chất xúc tác gốc iridi trong các thiết bị điện phân nước màng trao đổi proton", Phó Giáo sư Alexandr N. Simonov từ Khoa Hóa học, Đại học Monash, tác giả chính của nghiên cứu, cho biết. "Nhưng đơn giản là không có đủ iridi được khai thác để xây dựng quy mô các thiết bị điện phân cần thiết cho hydro xanh, nhằm thực sự khử cacbon trong ngành công nghiệp năng lượng và hóa chất của chúng ta."
Xu hướng toàn cầu hướng đến hydro xanh như một loại nhiên liệu sạch đã làm nổi bật một sự thật khó chịu: mặc dù iridi hoạt động cực kỳ hiệu quả, nhưng khả năng cung cấp của nó lại quá thấp so với nhu cầu lắp đặt hàng chục gigawatt trên toàn thế giới.
Để giải quyết vấn đề này, các nhà nghiên cứu đã và đang tìm kiếm các chất xúc tác anode hiệu quả được làm từ các vật liệu rẻ hơn và phổ biến hơn. Các chất xúc tác gốc coban đã cho thấy nhiều triển vọng, bao gồm cả những đột phá trước đây của nhóm nghiên cứu Monash, nhưng cho đến nay, độ ổn định hạn chế của chúng vẫn là rào cản đối với việc ứng dụng trong thực tế.
Tiến sĩ Darcy Simondson, cựu sinh viên Tiến sĩ tại Monash, người đóng góp vào nghiên cứu, cho biết: "Coban rẻ hơn nhiều so với iridi, nhưng thách thức luôn nằm ở việc làm thế nào để các chất xúc tác gốc coban đủ ổn định để tồn tại trong điều kiện khắc nghiệt bên trong các thiết bị điện phân này".
Một bài báo mới được công bố hôm nay trên tạp chí Nature Energy, do Khoa Hóa học, Đại học Monash dẫn đầu, cùng với các cộng tác viên từ Viện Chuyển đổi Năng lượng Hóa học Max Planck, Đại học Công nghệ Swinburne, Phòng thí nghiệm Quốc gia Los Alamos, Trung tâm Vật liệu và Năng lượng Helmholtz-Zentrum Berlin, Đại học Cambridge, và các cơ sở synchrotron tại Úc và Đức, đã khám phá chính xác lý do tại sao chất xúc tác coban bị phân hủy và cách khắc phục.
“Đây là hơn ba năm nghiên cứu sử dụng một số kỹ thuật quang phổ, điện hóa và tính toán tiên tiến nhất thế giới”, Tiến sĩ Marc Tesch, từ Viện Chuyển đổi Năng lượng Hóa học Max Planck, cho biết. “Chúng tôi phát hiện ra rằng chức năng xúc tác chính của các anode gốc coban này, và sự phân hủy của chúng, thực sự diễn ra độc lập với nhau. Điều này không giống như những gì được mong đợi từ các nghiên cứu trước đây.”
Hiểu biết mới này có thể cách mạng hóa cách thiết kế chất xúc tác. Bằng cách chứng minh rằng quá trình phân hủy và hoạt động xúc tác được tách biệt, các nhà khoa học giờ đây có thể tập trung vào việc chế tạo vật liệu coban để tối đa hóa hiệu suất của chúng trong khi giải quyết các vấn đề về độ ổn định một cách riêng biệt.
“Về cơ bản, chúng tôi đã phát hiện ra rằng các quá trình này diễn ra song song thay vì được liên kết trực tiếp. Điều này mở ra một hướng đi rõ ràng để chế tạo các anode gốc coban bền chắc và khả thi về mặt kinh tế cho việc sản xuất hydro xanh. Cũng có tiềm năng áp dụng các phương pháp synchrotron tương tự cho các chất xúc tác khác, cung cấp những hiểu biết quan trọng trên nhiều hệ thống khác nhau”, Phó Giáo sư Rosalie Hocking từ Đại học Công nghệ Swinburne, người đóng góp nghiên cứu, cho biết.
Những phát hiện của nhóm nghiên cứu đã đưa tầm nhìn về hydro xanh quy mô lớn, giá rẻ hơn đến gần hơn. Nếu các chất xúc tác gốc coban có thể được ổn định để sử dụng lâu dài, nó có thể loại bỏ một rào cản lớn trong việc ứng dụng công nghệ này trên toàn thế giới với công suất nhiều GW.
“Nghiên cứu này rất quan trọng cho việc phát triển các anode mới không phụ thuộc vào vật liệu khan hiếm”, Phó Giáo sư Simonov cho biết. “Hydro xanh có thể là một công cụ quan trọng trong việc khử cacbon cho nền kinh tế của chúng ta, nhưng chỉ khi chúng ta có thể làm cho việc sản xuất nó thực sự bền vững và có thể mở rộng quy mô.”
Công trình này được hỗ trợ bởi Đại học Monash, Hội đồng nghiên cứu Úc, Văn phòng nghiên cứu hải quân toàn cầu, Cơ quan năng lượng tái tạo Úc, Deutscher Akademischer Austauschdienst (DAAD), Bộ giáo dục và nghiên cứu liên bang Đức (BMBF) và các đối tác quốc tế.
