Sản xuất hydro: Vai trò của bề mặt xúc tác trong nâng cao hiệu suất phản ứng tách oxy
Điện phân nước là công nghệ cốt lõi để sản xuất hydro xanh, nhưng luôn vấp phải một trở ngại lớn: phản ứng tách oxy (OER – Oxygen Evolution Reaction). Dù đã nhiều năm nghiên cứu, OER vẫn là “nút thắt cổ chai” khiến quá trình điện phân tiêu tốn nhiều năng lượng.
Cơ chế chuyển đổi của OER
Nhóm nghiên cứu do Tiến sĩ Martinez-Hincapié và Tiến sĩ Oener dẫn dắt, dưới sự hướng dẫn của Giáo sư Beatriz Roldán Cuenya tại Viện Khoa học Bề mặt, đã phát hiện một “điểm kích hoạt” phụ thuộc điện thế, nơi chất xúc tác chuyển sang trạng thái hoạt tính cao. Bằng cách kết hợp quang phổ tia X vận hành (operando X-ray) và điện hóa phụ thuộc nhiệt độ, nhóm nhận thấy khi vượt qua một ngưỡng quá thế nhất định, bề mặt xúc tác giải phóng điện tích và tăng tốc phản ứng OER mạnh mẽ.
Vai trò của lớp bề mặt xúc tác – điện giải
Đột phá này không nằm ở việc dùng nhiều xúc tác hơn mà ở lớp tiếp xúc giữa xúc tác và dung dịch điện giải. Lớp solvat hóa siêu mỏng, nơi các phân tử nước và ion tương tác với nguyên tử xúc tác, đóng vai trò quyết định. Việc điều chỉnh thành phần điện giải có thể thay đổi cấu trúc lớp này, mở ra hướng tối ưu hóa hiệu suất mà không cần dùng kim loại quý hiếm.
Quan sát trực tiếp bằng quang phổ operando
Nhờ kỹ thuật hấp thụ và phát xạ tia X thời gian thực, các nhà khoa học theo dõi được sự thay đổi trạng thái oxy hóa của xúc tác khi phản ứng diễn ra. Điều này làm sáng tỏ các trung gian tồn tại ngắn ngủi nhưng ảnh hưởng đến độ bền lâu dài, từ đó hỗ trợ thiết kế xúc tác ổn định hơn cho các hệ điện phân công nghiệp.
Ảnh hưởng của nhiệt độ
Bằng cách thay đổi nhiệt độ, nhóm nghiên cứu đã lập bản đồ ảnh hưởng của động lực ion và lớp solvat hóa đến tốc độ OER. Điều kiện ấm hơn giúp ion di chuyển nhanh hơn, cải thiện động học phản ứng và mô phỏng sát hơn các môi trường công nghiệp thực tế.
Định hình lại hướng thiết kế xúc tác
Nghiên cứu này thay đổi trọng tâm từ tăng diện tích bề mặt xúc tác sang kỹ thuật điều khiển bề mặt giao diện. Cách tiếp cận này giúp giảm chi phí, mở đường cho việc sử dụng kim loại phổ biến như mangan hoặc oxit sắt thay vì các kim loại khan hiếm như iridi hoặc rutheni. Nó cũng chỉ ra quy luật thiết kế chung: tối ưu hóa giao diện quan trọng hơn số lượng xúc tác.
Tác động đến công nghiệp hydro
Cải thiện hiệu suất OER sẽ giúp giảm nhu cầu năng lượng của điện phân, từ đó hạ giá thành sản xuất hydro xanh quy mô lớn. Điều này đặc biệt quan trọng với các ngành công nghiệp như luyện thép, sản xuất amoniac, vận tải biển và phương tiện hạng nặng.
Với sự hỗ trợ từ Chiến lược Hydro trị giá 9 tỷ euro của châu Âu và các chương trình quốc gia của Đức, những đột phá này sẽ sớm được thương mại hóa. Bằng cách giảm phụ thuộc vào kim loại quý hiếm và giảm tổn thất năng lượng, xúc tác thiết kế theo hướng giao diện có thể thay đổi toàn bộ chuỗi giá trị hydro.
