Các nhà khoa học Hồng Kông và Anh đã phát triển một chất xúc tác mới sử dụng các nguyên tử bạch kim đơn lẻ, giúp giảm chi phí và tăng hiệu quả phản ứng điện phân nước, sản xuất hydro bằng năng lượng tái tạo.
Theo Scitech Daily, trong một nghiên cứu mới gần đây, các nhà khoa học tại Đại học Thành phố Hồng Kông (CityU) đã phát triển một chất xúc tác mới, sử dụng những nguyên tử bạch kim đơn lẻ, chất xúc tác này được các đồng nghiệp tại Cao đẳng Hoàng gia Luân Đôn (Imperial College London) thử nghiệm trong các công nghệ ứng dụng, cho hiệu quả cao. Chất xúc tác mới có thể được chế tạo với quy mô lớn, chi phí thấp để sử dụng trong ngành sản xuất hydro, nguồn nhiên liệu xanh tiềm năng của tương lai.
Chất xúc tác mới, sử dụng các nguyên tử bạch kim đơn lẻ giảm chi phí, tăng hiệu quả điện phân nước. Ảnh Scitech Daily.
Đồng tác giả nghiên cứu, GS Anthony Kucernak từ Khoa Hóa học tại Imperial cho biết: “Chiến lược Hydro của Vương quốc Anh đặt ra tham vọng đạt 10GW công suất sản xuất hydro carbon thấp vào năm 2030. Để tạo điều kiện thuận lợi cho mục tiêu đó, chúng ta cần phát triển các hệ thống cung cấp hydro giá rẻ, dễ sản xuất và hiệu quả. Chất xúc tác điện mới có thể là nhân tố chính đóng góp vào quá trình này, giúp Vương quốc Anh đạt được mục tiêu không phát thải vào năm 2050.”
Ngành sản xuất năng lượng tái tạo từ gió và mặt trời đang phát triển nhanh chóng. Nhưng một phần lớn năng lượng tạo ra cần được chuyển hóa thành nhiên liệu hydro khi dư thừa và lưu trữ để cấp cho điện lưới vào lúc không có gió và ban đêm cũng như trong thời điểm nhu cầu sử dụng điện cao. Hydro được dùng để phát điện bằng pin nhiên liệu và sử dụng cho các ngành công nghiệp khác.
Phương án tối ưu nhất để khai thác triệt để nguồn năng lượng tái tạo là sản xuất nhiên liệu hydro xanh, có thể được lưu trữ và vận chuyển đáp ứng các nhu cầu trong giao thông vận tải đường không và đường biển, ngành công nghiệp nặng phi carbon.
Vật liệu xúc tác mới. Ảnh: Đại học Thành phố Hồng Kông
Trong quá trình sản xuất hydro xanh, năng lượng tái tạo được sử dụng trong phản ứng điện phân, tách các phân tử nước thành hydro và oxy. Quá trình này sử dụng chất xúc tác bạch kim để thúc đẩy phản ứng phân tách phân tử nước. Mặc dù bạch kim là chất xúc tác tuyệt vời cho phản ứng nhưng là kim loại hiếm và giá thành cao. Chính vì vậy, các nhà khoa học trên thế giới đang nỗ lực tìm kiếm các phương pháp giảm thiểu sử dụng kim loại hiếm nhằm giảm chi phí hệ thống sản xuất và giá thành của nhiên liệu hydro.
Nhóm nghiên cứu từ Đại học Thành phố Hồng Kông đã thiết kế và thử nghiệm một chất xúc tác mới, sử dụng rất ít bạch kim, tạo ra một chất xúc tác hiệu quả, tiết kiệm chi phí cho quá trình phân tách nước thành hydro và ô xy. Kết quả của công trình nghiên cứu được đăng trên tạp chí Nature.
Trưởng nhóm nghiên cứu, GS Zhang Hua, từ CityU cho biết: “Hydro được tạo ra từ quá trình điện phân nước, sử dụng chất xúc tác được coi là nguồn năng lượng sạch và xanh, ứng viên tiềm năng nhất thay thế nhiên liệu hóa thạch trong tương lai gần, giảm ô nhiễm môi trường và hiệu ứng nhà kính”.
Chất điện phân mới sử dụng các nguyên tử bạch kim đơn lẻ
Sáng tạo đổi mới của nhóm nhà khoa học Hồng Kông là đã phát triển một phương pháp phân tán các nguyên tử bạch kim đơn lẻ trên một tấm molypden sulfide, một hợp chất vô cơ của kim loại chuyển tiếp molybden và lưu huỳnh (MoS 2 ). Phương pháp này sử dụng ít bạch kim hơn đáng kể so với những chất xúc tác hiện có, đồng thời gia tăng hiệu suất điện phân do bạch kim tương tác với molypden, tăng cường hiệu quả của phản ứng.
Bằng phương pháp tạo thành lớp chất xúc tác mỏng trên những tấm đỡ nano, nhóm CityU đã tạo ra các lớp vật liệu có độ tinh khiết cao. Sau đó, mảnh vật liệu xúc tác này được thử nghiệm trong phòng thí nghiệm của GS Kucernak tại Imperial. Các nhà khoa học Anh đã phát triển những phương pháp và mô hình để xác định phương thức hoạt động của chất xúc tác, từ đó đơn giản và tối ưu hóa vật liệu xúc tác cho quá trình điện phân nước.
Nhóm Imperial được trang bị các công cụ đo lường để kiểm tra nghiêm ngặt do trước đây đã phát triển một số công nghệ có sử dụng những chất xúc tác tương tự. GS Kucernak và các đồng nghiệp đã thành lập một số công ty khởi nghiệp trên cơ sở ứng dụng những công nghệ này, trong đó có công ty RFC Power chuyên về pin nhiên liệu hydro, được tăng cường hiệu quả bằng phương pháp sử dụng chất xúc tác bạch kim đơn nguyên tử mới.
Sử dụng hydro để sản xuất điện bằng pin nhiên liệu
Trong quá trình điện phân nước, năng lượng tái tạo được sử dụng để sản xuất hydro. Nhiên liệu hydro xanh có thể được sử dụng để sản xuất điện bằng pin nhiên liệu. Cách đây không lâu, GS Kucernak và các đồng nghiệp đã giới thiệu một chất chất xúc tác đơn nguyên tử cho phản ứng tạo ra điện năng trong pin nhiên liệu. Chất xúc tác sử dụng sắt, một kim loại phổ biến rộng rãi trên trái đất có khả năng giảm đáng kể giá thành sản xuất điện từ pin nhiên liệu.
Bramble Energy, một công ty thành viên khác của nhóm nhà khoa học Anh do GS Kucernak dẫn đầu sẽ thử nghiệm công nghệ với chất xúc tác mới trong pin nhiên liệu hydro. Cả hai chất xúc tác nguyên tử đơn, một chất sẽ được sử dụng trong quá trình điện phân nước bằng năng lượng tái tạo để sản xuất hydro và chất thứ hai tham gia vào phản ứng chuyển hydro thành điện năng bằng pin nhiên liệu sẽ thúc đẩy nhanh quá trình chuyển đổi nền kinh tế từ nhiên liệu hóa thạch sang nền kinh tế hydro xanh, giảm phát thải khí nhà kính và thân thiện môi trường.