Nghiên cứu mới tiết lộ cách ổn định chất xúc tác coban cho sản xuất hydro xanh
bởi Đại học Monash
Can thiệp so với OER độc lập và ăn mòn coban. Nguồn: Nature Energy (2025). DOI: 10.1038/s41560-025-01812-x
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 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 cho 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 tốt, 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 vật liệu rẻ hơn và dồi dào 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 của Monash, người đóng góp vào nghiên cứu, cho biết: "Coban rẻ hơn nhiều so với iridi, nhưng thách thức luôn là làm sao 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 được công bố trên tạp chí Nature Energy, do Khoa Hóa học, Đại học Monash chủ trì, 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 các 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 đó 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 sự 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 riêng các vấn đề về độ ổn định.
"Về cơ bản, chúng tôi đã phát hiện ra rằng các quá trình này diễn ra song song thay vì liên kết trực tiếp. Điều đó 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", 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 đưa tầm nhìn về hydro xanh quy mô lớn, 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 ở quy mô đa GW trên toàn thế giới.
"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."
Thông tin thêm: Darcy Simondson và cộng sự, Tách rời các cơ chế xúc tác và phân hủy của các vị trí hoạt động coban trong quá trình oxy hóa nước có tính axit, Nature Energy (2025). DOI: 10.1038/s41560-025-01812-x
Thông tin tạp chí: Nature Energy
Được cung cấp bởi Đại học Monash
