Tạo ra nền kinh tế hydro không phải là nhiệm vụ dễ dàng, nhưng các kỹ sư của Đại học Rice đã phát hiện ra một phương pháp có thể tạo ra chất xúc tác tiến hóa oxy trong axit, một trong những chủ đề thách thức nhất trong quá trình điện phân nước để sản xuất nhiên liệu hydro sạch, kinh tế và thiết thực hơn.
>> Tham khảo: Trí tuệ nhân tạo giúp tăng tốc nghiên cứu vật liệu.
Phòng thí nghiệm của kỹ sư hóa học và sinh học phân tử Haotian Wang tại Trường Kỹ thuật George R. Brown của Rice đã thay thế iridi hiếm và đắt tiền bằng rutheni, một kim loại quý phong phú hơn nhiều, làm chất xúc tác điện cực dương trong lò phản ứng phân tách nước thành hydro và oxy .
Phòng thí nghiệm đã bổ sung thành công niken vào ruthenium dioxide (RuO2) để tạo ra chất xúc tác anot mạnh tạo ra hydro từ quá trình điện phân nước trong hàng nghìn giờ trong điều kiện môi trường xung quanh.
Wang cho biết: “Có một mối quan tâm lớn trong ngành đối với hydro sạch. “Đó là một chất mang năng lượng quan trọng và cũng quan trọng đối với quá trình chế tạo hóa chất, nhưng quá trình sản xuất hiện tại của nó đóng góp một phần đáng kể lượng khí thải carbon trong lĩnh vực sản xuất hóa chất trên toàn cầu.
>> Tham khảo: Pin giấy có công tắc nước.
Chúng tôi muốn sản xuất nó theo cách bền vững hơn và việc tách nước sử dụng điện sạch là được công nhận rộng rãi như là lựa chọn hứa hẹn nhất.”
Ông cho biết, iridi có giá cao hơn khoảng 8 lần so với rutheni và nó có thể chiếm 20% đến 40% chi phí sản xuất thiết bị thương mại, đặc biệt là trong các triển khai quy mô lớn trong tương lai.
Quá trình được phát triển bởi Wang, cộng sự sau tiến sĩ của Rice Zhen-Yu Wu và nghiên cứu sinh Feng-Yang Chen, cùng các đồng nghiệp tại Đại học Pittsburgh và Đại học Virginia được trình bày chi tiết trên tạp chí Nature Materials.
Sự phân tách nước bao gồm các phản ứng tạo ra oxy và hydro, trong đó các chất xúc tác phân cực sắp xếp lại các phân tử nước để giải phóng oxy và hydro.
“Hydrogen được tạo ra bởi cực âm, là điện cực âm,” Wu nói. “Đồng thời, nó phải cân bằng điện tích bằng cách oxy hóa nước để tạo ra oxy ở phía cực dương.”
Chen cho biết: “Cực âm rất ổn định và không phải là vấn đề lớn, nhưng cực dương dễ bị ăn mòn hơn khi sử dụng chất điện phân có tính axit. “Các kim loại chuyển tiếp thường được sử dụng như mangan, sắt, niken và coban bị oxy hóa và hòa tan vào chất điện phân.
“Đó là lý do tại sao vật liệu thực tế duy nhất được sử dụng trong máy điện phân nước màng trao đổi proton thương mại là iridi,” ông nói. “Nó ổn định trong hàng chục nghìn giờ, nhưng nó rất đắt.”
>> Tham khảo: Vật liệu đơn giản này có thể lọc khí carbon dioxide từ ống khói nhà máy điện.
Bắt đầu tìm kiếm một chất thay thế, phòng thí nghiệm của Wang đã giải quyết ruthenium dioxide cho hoạt động đã biết của nó, pha tạp chất này với niken, một trong nhiều kim loại đã được thử nghiệm.
Các nhà nghiên cứu đã chứng minh rằng các hạt nano RuO2 siêu nhỏ và có độ tinh thể cao với các tạp chất niken, được sử dụng ở cực dương, đã tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình tách nước trong hơn 1.000 giờ ở mật độ dòng điện 200 milliamp trên cm2 với sự suy giảm không đáng kể.
Họ đã thử nghiệm các cực dương của mình với các cực dương khác bằng ruthenium dioxide tinh khiết, chất xúc tác cho quá trình điện phân nước trong vài trăm giờ trước khi bắt đầu phân rã.
Phòng thí nghiệm đang làm việc để cải thiện chất xúc tác ruthenium của nó để đưa vào các quy trình công nghiệp hiện tại. “Bây giờ chúng tôi đã đạt được cột mốc ổn định này, thách thức của chúng tôi là tăng mật độ hiện tại lên ít nhất 5 đến 10 lần trong khi vẫn duy trì loại ổn định này”, Wang nói. “Điều này rất khó khăn, nhưng vẫn có thể.”
Anh ấy thấy nhu cầu là cấp bách. Wang cho biết: “Việc sản xuất iridi hàng năm sẽ không giúp chúng ta sản xuất được lượng hydro mà chúng ta cần ngày nay. “Ngay cả khi sử dụng tất cả iridi được sản xuất trên toàn cầu sẽ đơn giản là không tạo ra lượng hydro mà chúng ta sẽ cần nếu chúng ta muốn sản xuất nó thông qua quá trình điện phân nước.
Ông nói: “Điều đó có nghĩa là chúng ta không thể hoàn toàn dựa vào iridi. “Chúng tôi phải phát triển các chất xúc tác mới để giảm việc sử dụng hoặc loại bỏ hoàn toàn khỏi quy trình.”
>> Tham khảo: Các nhà nghiên cứu chế tạo men vi sinh để sản xuất beta-carotene.
Boyang Li của Đại học Pittsburgh là đồng tác giả chính của bài báo. Đồng tác giả là nghiên cứu sinh Rice Peng Zhu; sinh viên tốt nghiệp Shen-Wei Yu tại Virginia; nhà vật lý Zou Finfrock tại Phòng thí nghiệm quốc gia Argonne; nhà khoa học Debora Motta Meira của Argonne và Nguồn sáng Canada; cựu sinh viên Virginia Zhouyang Yin; và Qiang-Qiang Yan, Ming-Xi Chen, Tian-Wei Song và Hai-Wei Liang của Đại học Khoa học và Công nghệ Trung Quốc, Hợp Phì. Đồng tác giả là Sen Zhang, phó giáo sư hóa học tại Virginia, và Guofeng Wang, giáo sư khoa học cơ khí và vật liệu tại Pittsburgh. Haotian Wang là Chủ tịch Ủy viên William Marsh tại Rice và là trợ lý giáo sư về kỹ thuật hóa học và phân tử sinh học.
Nghiên cứu được hỗ trợ bởi Quỹ Welch (C-2051-20200401), Quỹ David và Lucile Packard (2020-71371), Giải thưởng Phát triển Khoa Roy E. Campbell, Quỹ Khoa học Quốc gia (1905572, 2004808), Đại học Trung tâm Điện toán Nghiên cứu Pittsburgh và Nguồn Photon Tiên tiến của Phòng thí nghiệm Quốc gia Argonne.
