Nghiên cứu gần đây về nhiệm vụ đòi hỏi phải phát triển chất xúc tác để sản xuất hydro đã đạt được tiến bộ đáng kể.
Xác định xu hướng và thiết kế các chất xúc tác cân bằng bằng phân tích thành phần cụ thể. Tín dụng: POSTECH
Giáo sư Yong-Tae Kim từ Khoa Khoa học và Kỹ thuật Vật liệu và Viện Sau đại học Công nghệ Vật liệu Sắt & Sinh thái, và Kyu-Su Kim, nghiên cứu sinh tiến sĩ từ Khoa Khoa học và Kỹ thuật Vật liệu tại Đại học Khoa học và Công nghệ Pohang (POSTECH ), đã cộng tác trong một dự án nghiên cứu đưa ra hướng đi đầy hứa hẹn cho sự phát triển chất xúc tác cho quá trình điện phân nước trong tương lai.
Nghiên cứu của họ đã được giới thiệu trên trang bìa của ACS Catalysis .
Điện phân nước, một phương pháp sản xuất hydro từ nguồn nước dồi dào, nổi lên như một công nghệ thân thiện với môi trường, không tạo ra khí thải carbon dioxide. Tuy nhiên, quá trình này gặp phải những hạn chế do phụ thuộc vào các chất xúc tác kim loại quý như iridium (Ir), khiến nó không khả thi về mặt kinh tế. Các nhà nghiên cứu đang tích cực khám phá sự phát triển của chất xúc tác ở dạng hợp kim kim loại để giải quyết thách thức này.
Trong lĩnh vực nghiên cứu xúc tác điện phân nước, các chất xúc tác chính được nghiên cứu kỹ lưỡng là iridium, ruthenium (Ru) và osmium (Os). Iridium, mặc dù có độ ổn định cao nhưng có hoạt tính thấp và có giá cao. Ngược lại, ruthenium thể hiện hoạt động đáng khen ngợi và là một lựa chọn tiết kiệm chi phí hơn so với iridium, mặc dù nó thiếu cùng mức độ ổn định.
Mặt khác, Osmium dễ dàng hòa tan trong các điều kiện điện hóa khác nhau, dẫn đến sự hình thành các cấu trúc nano với diện tích bề mặt hoạt động điện hóa mở rộng, do đó tăng cường hoạt động hình học.
Ban đầu, nhóm nghiên cứu đã phát triển chất xúc tác sử dụng cả iridium và ruthenium. Bằng cách kết hợp các kim loại này, họ đã bảo tồn thành công các thuộc tính tuyệt vời của từng kim loại, tạo ra các chất xúc tác thể hiện sự cải thiện cả về hoạt tính và độ ổn định. Các chất xúc tác kết hợp osmium thể hiện hoạt tính cao do diện tích bề mặt hoạt động điện hóa mở rộng đạt được thông qua sự hình thành cấu trúc nano. Những chất xúc tác này vẫn giữ được những đặc tính có lợi của iridium và ruthenium.
Sau đó, nhóm nghiên cứu đã mở rộng thử nghiệm của mình để bao gồm cả ba kim loại. Kết quả cho thấy hoạt tính tăng vừa phải, nhưng sự hòa tan của osmium có tác động bất lợi, làm tổn hại đáng kể đến tính toàn vẹn cấu trúc của iridium và ruthenium. Trong loạt bài này, sự kết tụ và ăn mòn của cấu trúc nano được tăng tốc, dẫn đến sự suy giảm sự cân bằng của hiệu suất xúc tác.
Dựa trên những phát hiện này, nhóm nghiên cứu đã đề xuất một số hướng nghiên cứu tiếp theo về chất xúc tác. Đầu tiên và quan trọng nhất, họ nhấn mạnh sự cần thiết của một thước đo có thể đánh giá đồng thời cả hoạt động và tính ổn định. Số liệu này, được gọi là yếu tố ổn định hoạt động, lần đầu tiên được nhóm nghiên cứu của Kim giới thiệu vào năm 2017.
Ngoài ra, nhóm nghiên cứu ủng hộ việc duy trì các đặc tính xúc tác vượt trội ngay cả sau khi hình thành cấu trúc nano, nhằm tăng cường diện tích bề mặt hoạt động điện hóa của chất xúc tác điện. Họ cũng nhấn mạnh tầm quan trọng của việc lựa chọn cẩn thận các vật liệu ứng cử viên có thể phối hợp hiệu quả khi tạo hợp kim với các kim loại khác. Bản chất của nghiên cứu này không nằm ở việc trình bày các kết quả cụ thể như sự phát triển của chất xúc tác mới mà là đưa ra những cân nhắc cần thiết cho việc thiết kế chất xúc tác.
Giáo sư Yong-Tae Kim, người đứng đầu cuộc nghiên cứu, cho biết: “Nghiên cứu này đánh dấu sự khởi đầu cuộc hành trình của chúng tôi chứ không phải là kết thúc”. Ông chia sẻ tầm nhìn của mình bằng cách tuyên bố: "Chúng tôi nỗ lực không ngừng phát triển các chất xúc tác điện phân nước hiệu quả dựa trên những hiểu biết sâu sắc thu được từ nghiên cứu này".
