Quy trình quang nhiệt siêu nhanh đạt 3.000°C trong 0,02 giây, tăng hiệu suất sản xuất hydro gấp sáu lần
Bởi Viện Khoa học và Công nghệ Tiên tiến Hàn Quốc (KAIST)
Sơ đồ minh họa những hạn chế của phương pháp tổng hợp bức xạ nhiệt thông thường và quá trình chuyển đổi nanoion carbon thông qua xử lý quang nhiệt tiếp xúc trực tiếp. Nguồn: ACS Nano (2025). DOI: 10.1021/acsnano.5c11229
Việc tổng hợp nhanh chóng và tiết kiệm năng lượng các chất xúc tác hiệu suất cao là một rào cản quan trọng trong việc phát triển các công nghệ năng lượng sạch như sản xuất hydro. Để giải quyết thách thức này, một nhóm nghiên cứu tại KAIST hiện đã phát triển một công nghệ nền tảng mới sử dụng tia sáng chớp trong 0,02 giây để tạo ra nhiệt độ cực cao 3.000°C, cho phép tổng hợp chất xúc tác hiệu quả cao.
Quy trình đột phá này giúp giảm mức tiêu thụ năng lượng hơn một nghìn lần so với các phương pháp thông thường, đồng thời tăng hiệu suất sản xuất hydro lên tới sáu lần, đánh dấu một bước tiến đáng kể hướng tới thương mại hóa năng lượng sạch.
Một nhóm nghiên cứu chung do Giáo sư Il-Doo Kim thuộc Khoa Khoa học và Kỹ thuật Vật liệu và Giáo sư Sung-Yool Choi thuộc Khoa Kỹ thuật Điện đồng dẫn đầu đã phát triển nền tảng ủ quang nhiệt tiếp xúc trực tiếp. Kỹ thuật này tổng hợp các vật liệu nano hiệu suất cao thông qua việc tiếp xúc ngắn với ánh sáng cường độ cao, tạo ra nhiệt độ tức thời 3.000°C chỉ trong 0,02 giây.
Sử dụng năng lượng quang nhiệt cường độ cao này, các nhà nghiên cứu đã chuyển đổi thành công các tiền chất nanodiamond (ND) trơ về mặt hóa học thành các nanoion carbon (CNO) có tính dẫn điện cao và hoạt động xúc tác.
Ấn tượng hơn, phương pháp này đồng thời chức năng hóa bề mặt của các CNO mới hình thành bằng các nguyên tử đơn lẻ. Quy trình tích hợp, một bước này tái cấu trúc vật liệu hỗ trợ và nhúng chức năng xúc tác vào một xung ánh sáng duy nhất, thể hiện một bước đột phá đáng kể trong tổng hợp chất xúc tác. Nghiên cứu được công bố trên tạp chí ACS Nano.
CNO, được cấu tạo từ các lớp vỏ graphit đồng tâm, là chất mang xúc tác lý tưởng nhờ độ dẫn điện cao, diện tích bề mặt riêng lớn và độ ổn định hóa học. Tuy nhiên, quá trình tổng hợp CNO truyền thống đã bị cản trở bởi quá trình hậu xử lý phức tạp, nhiều bước cần thiết để nạp chất xúc tác kim loại và việc phụ thuộc vào các phương pháp xử lý nhiệt tốn nhiều năng lượng, thời gian, làm hạn chế khả năng mở rộng quy mô.
Để khắc phục những hạn chế này, nhóm nghiên cứu đã tận dụng hiệu ứng quang nhiệt. Họ đã nghĩ ra phương pháp trộn các tiền chất ND với muội than hấp thụ ánh sáng (CB) và áp dụng một xung mạnh từ đèn xenon. Phương pháp này kích hoạt quá trình chuyển đổi ND thành CNO chỉ trong 0,02 giây, một hiện tượng đã được xác nhận bằng mô phỏng động lực học phân tử.
Một cải tiến quan trọng của nền tảng này là tổng hợp đồng thời CNO và chức năng hóa các chất xúc tác đơn nguyên tử (SAC). Khi các tiền chất kim loại, chẳng hạn như bạch kim (Pt), được đưa vào hỗn hợp, chúng sẽ phân hủy và bám chặt vào bề mặt của các CNO mới hình thành dưới dạng các nguyên tử riêng lẻ. Quá trình làm mát nhanh sau đó ngăn chặn sự kết tụ nguyên tử, tạo ra một quy trình một bước tích hợp hoàn hảo cho cả tổng hợp và chức năng hóa.
Nhóm nghiên cứu đã tổng hợp thành công tám loại SAC mật độ cao khác nhau, bao gồm bạch kim (Pt), coban (Co) và niken (Ni). Pt-CNO thu được đã chứng minh hiệu suất giải phóng hydro tăng gấp sáu lần so với các chất xúc tác thông thường, đạt hiệu suất cao với lượng kim loại quý ít hơn đáng kể. Điều này làm nổi bật tiềm năng của công nghệ này trong việc sản xuất hydro có thể mở rộng quy mô và bền vững.
Giáo sư Il-Doo Kim cho biết: "Lần đầu tiên chúng tôi đã phát triển một quy trình ủ quang nhiệt tiếp xúc trực tiếp đạt nhiệt độ 3.000°C trong vòng chưa đầy 0,02 giây". Nền tảng tổng hợp và chức năng hóa nguyên tử đơn cực nhanh này giúp giảm mức tiêu thụ năng lượng hơn một nghìn lần so với các phương pháp truyền thống. Chúng tôi kỳ vọng nó sẽ đẩy nhanh quá trình thương mại hóa các công nghệ trong lĩnh vực năng lượng hydro, cảm biến khí và xúc tác môi trường.
Thông tin thêm: Dogyeong Jeon và cộng sự, Tổng hợp nanoion cacbon bằng phương pháp ủ quang nhiệt trong một phần nghìn giây và chức năng hóa nguyên tử đơn đồng thời, ACS Nano (2025). DOI: 10.1021/acsnano.5c11229
Thông tin tạp chí: ACS Nano
Được cung cấp bởi Viện Khoa học và Công nghệ Tiên tiến Hàn Quốc (KAIST)
