Vật Liệu Điện Cực MXene Chống Ăn Mòn Nước Biển Trong Sản Xuất Hydro

Nguồn: Hội đồng Nghiên cứu Khoa học & Công nghệ Quốc gia Hàn Quốc (NST)

Một nhóm nghiên cứu đã phát triển thành công xúc tác composite sử dụng vật liệu mới MXene giúp ức chế sự hình thành ion chloride — một trong những thách thức lớn nhất của công nghệ điện phân nước biển. Kết quả này được kỳ vọng sẽ thúc đẩy ứng dụng thực tiễn của công nghệ điện phân nước biển nhờ khả năng sản xuất hydro ổn định ngay cả khi dùng nước biển.

Các phát hiện đã được công bố trên tạp chí ACS Nano. Nghiên cứu do Tiến sĩ Juchan Yang thuộc Trung tâm Vật liệu Hydro & Pin (Hydrogen & Battery Materials Center), Viện Nghiên cứu Vật liệu Hàn Quốc (KIMS) dẫn dắt.

Hydro đang nhận được nhiều sự chú ý như một nguồn năng lượng thân thiện môi trường, không phát thải carbon. Tuy nhiên, các công nghệ điện phân nước truyền thống chủ yếu sử dụng nước ngọt tinh khiết, dẫn đến chi phí sản xuất cao và lo ngại về nguồn nước. Điện phân nước biển được xem là giải pháp thay thế, giúp tận dụng nguồn nước dồi dào, nhưng tồn tại thách thức: ion chloride (Cl⁻) trong nước biển dễ gây ăn mòn điện cực, làm giảm tuổi thọ hệ thống sản xuất hydro.

MXene là vật liệu nano hai chiều (2D) gồm kim loại và carbon hoặc nitơ, có độ dẫn điện xuất sắc và có thể kết hợp với nhiều hợp chất kim loại khác, rất phù hợp để làm vật liệu điện cực. Tuy nhiên, nhược điểm lớn của MXene là dễ bị oxy hóa khi tiếp xúc với oxy và nước, khiến độ bền lâu dài bị hạn chế.

Để khắc phục vấn đề này, nhóm nghiên cứu đã chủ động oxy hóa MXene để tạo ra cấu trúc dẫn điện ổn định, sau đó kết hợp với nickel ferrite (NiFe₂O₄) – chất xúc tác cho phản ứng tiến hóa oxy (OER), thông qua quá trình nghiền bi năng lượng cao (high-energy ball milling) để tạo ra xúc tác composite điện cực.

Kết quả:

• Mật độ dòng điện đạt được cao gấp ~5 lần so với xúc tác thông thường.

• Độ bền tăng gấp đôi.

• Đặc biệt, điện cực có khả năng đẩy ion chloride rất tốt, giúp ngăn ăn mòn hiệu quả.

Quy trình chế tạo đạt độ đồng đều và khả năng tái lập cao, tạo tiền đề cho sản xuất quy mô công nghiệp. Đáng chú ý, ngoài các thí nghiệm trong phòng lab, nhóm còn kiểm chứng thành công hiệu năng của vật liệu trong tế bào điện phân thực, xác nhận khả năng ứng dụng thực tế.

Công nghệ này có ý nghĩa đặc biệt khi giải quyết đồng thời cả hai yếu tố dẫn điện và độ bền – vốn là hạn chế của các vật liệu điện cực MXene truyền thống. Bằng cách phát triển vật liệu điện cực hiệu suất cao có khả năng chống ăn mòn trong điện phân nước biển, nghiên cứu này hứa hẹn thúc đẩy nhanh ứng dụng thương mại và góp phần mở rộng hạ tầng sản xuất hydro toàn cầu.

Tiến sĩ Juchan Yang nhấn mạnh:

“Nghiên cứu này mang ý nghĩa quan trọng khi giải quyết được vấn đề ion chloride trong điện phân nước biển bằng cách tận dụng vật liệu MXene mới. Chúng tôi đang tích cực triển khai các nghiên cứu trình diễn tiếp theo để tiến tới một giải pháp sản xuất hydro bền vững.”