Sáng tạo này có thể làm giảm chi phí công nghệ phân tách nước, hình thành một phương pháp dân sự khả thi hơn lưu trữ năng lượng từ ánh sáng mặt trời và sức gió dưới dạng nhiên liệu hydro.

Bước đột phá mới trong việc tách nước thành các chất cấu thành có thể khiến cho cho năng lượng tái tạo có giá thành rẻ hơn, bù đắp được chi phí sản xuất, ngay cả trong điều kiện hạn chế về ánh sáng mặt trời và sức gió yếu.

Sử dụng năng lượng mặt trời và năng lượng gió có sẵn để tách nước, đó là quá trình sử dụng điện để phân tách H2O thành hydro và oxy, sau đó lưu trữ năng lượng tái tạo dưới dạng nhiên liệu hydro.

 

Hiện nay, hệ thống công nghệ phổ biến nhất để phân tách nước, hoặc điện phân nước, sử dụng kim loại quý làm chất xúc tác, nhưng một nhóm các nhà nhà khoa học từ Phòng thí nghiệm quốc gia Los Alamos và Đại học bang Washington đã phối hợp phát triển một hệ thống điện phân khác, sử dụng nguyên vật liệu thông dụng và có giá thành rẻ hơn. Nhóm nghiên cứu đã công bố sáng kiến này trong một báo cáo khoa học, được xuất bản trên tờ Năng lượng Tự nhiên ngày 09.03.2020.

Yu Seung Kim, nhà khoa học tại Phòng thí nghiệm quốc gia Los Alamos, đồng tác giả của báo cáo khoa học cho biết "Hệ thống điện phân nước hiện tại sử dụng chất xúc tác rất đắt tiền. Chúng tôi phát triển hệ thống điện phân mới, sử dụng chất xúc tác gốc niken, rẻ hơn nhiều, nhưng đạt được hiệu suất tương đương",.

Công nghệ phân tách nước ngày nay được thực hiện bằng một thiết bị, được gọi là máy điện phân nước màng trao đổi proton, phân tách hydro với tốc độ cao.

Nhưng công nghệ này đắt tiền, hoạt động trong môi trường axit cao, đòi hỏi những chất xúc tác kim loại quý như bạch kim và iridium cũng như các tấm điện cực kim loại chống ăn mòn bằng titan.

Nhóm nghiên cứu đưa ra giải pháp giải quyết khó khăn này bằng phương pháp phân tách nước trong môi trường kiềm hóa bằng máy điện phân màng trao đổi anion. Thiết bị điện phân này không cần chất xúc tác bằng kim loại quý.

Thực tế, một nhóm do Yuehe Lin, giáo sư tại Trường Kỹ thuật Cơ khí và Vật liệu thuộc Đại học bang Washington “Washington State University (WSU)”, đã sáng tạo một chất xúc tác bằng hỗn hợp niken và sắt, những nguyên tố phổ thông và có giá thành thấp hơn trong môi trường.

Nhóm nghiên cứu của giáo sư Lin chia sẻ sự phát triển này với nhóm nhà khoa học do giáo sư Kim tại Los Alamos, các nhà khoa học do ông Kim lãnh đạo tiếp tục phát triển chất kết dính điện cực, sử dụng với chất xúc tác mới này.

Chất kết dính điện cực là một polymer dẫn hydroxit (– OH) liên kết với các chất xúc tác, hình thành môi trường pH cao khiến các phản ứng điện hóa diễn ra với tốc độ cao.

Sự kết hợp giữa chất kết dính điện cực mới do nhóm các nhà khoa học Los Alamos phát triển và chất xúc tác của WSU làm tăng tốc độ sản xuất hydro lên gần gấp mười lần tốc độ của phương pháp điện phân màng trao đổi anion trước đây, khiến phương pháp mới này có hiệu suất tương đương với phương pháp điện phân màng trao đổi proton đắt tiền hơn.

Theo Bộ Năng lượng Mỹ, mỗi năm tại quốc gia có khoảng 10 triệu tấn hydro đang được sản xuất, chủ yếu bằng khí đốt tự nhiên trong một quá trình, được gọi là cấu trúc lại khí đốt tự nhiên (natural gas reforming). Đây là quá trình công nghiệp tạo Hydro và CO2 từ khí đốt CO.

Theo ông Lin, Hydrogen được sản xuất từ quá trình phân tách nước, sử dụng năng lượng điện tái tạo mang lại nhiều lợi ích về kinh tế và bảo vệ môi trường.

"Phân tách nước là công nghệ sạch, thân thiện môi trường, nhưng cần có điện để thực hiện, chúng ta có rất nhiều năng lượng tái tạo từ sức gió và ánh sáng mặt trời, nhưng không thường xuyên liên tục và đều”.

Tác giả của công trình khoa học phân tích: “Ban đêm, chúng ta không thể sử dụng năng lượng mặt trời, nhưng ban ngày, có thể sử dụng năng lượng này để chuyển đổi thành nguyên liệu hydro, điều đó hứa hẹn một môi trường tương lai xanh, sạch hơn rất nhiều."

Các nhà khoa học dự đoán, thị trường sản xuất hydro toàn cầu dự kiến sẽ đạt 199,1 tỷ USD vào năm 2023. Thị trường năng lượng hydro sẽ bao trùm mọi thứ, như chuyển đổi năng lượng lớn từ các bon sang hydro, hệ thống lưới điện dân sự đến nhiên liệu cho các phương tiện vận tải.

Ông Lin ước tính, hiện có khoảng 600 trang trại điện gió Mỹ đã sẵn sàng kết nối trực tiếp với các hệ thống nhà máy điện phân nước để sản xuất nhiên liệu hydro.

Ngoài các trường đại học Los Alamos và WSU, tham gia vào sáng kiến mới này còn có sự đóng góp của các nhà nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm quốc gia Pajarito Powder và Sandia.

Nghiên cứu này được Hiệp hội Vật liệu phân tách nước tiên tiến HydroGen, thành lập theo chương trình JCDREAM của Bộ năng lượng Hoa Kỳ và bang Washington.