Sản xuất nhiên liệu hydro từ nước quy mô lớn, hàng loạt, hiệu quả cao đang dần trở thành hiện thực nhờ vào công trình nghiên cứu của các nhà khoa học Trường Đại học tiểu bang Oregon thuộc Đại học Cornell và Phòng thí nghiệm quốc gia Argonne. Nhóm chuyên gia đã sử dụng các công cụ thí nghiệm tiên tiến để hiểu rõ hơn về quy trình xúc tác điện hóa sản xuất nhiên liệu hydro sạch hơn, bền vững hơn so với việc tạo ra hydro từ khí tự nhiên. Những phát hiện này đã được công bố trên tạp chí Science Advances mới đây.

Hydro được tìm thấy trong nhiều loại hợp chất trên Trái đất, phổ biến nhất là kết hợp với oxy để tạo ra nước, và nó đóng vai trò rất quan trọng liên quan đến các ngành khoa học, công nghiệp và năng lượng. Nó cũng xuất hiện ở dạng hydrocacbon, các hợp chất bao gồm hydro và carbon như metan, thành phần chính của khí tự nhiên.

Zhenxing Feng, giáo sư kỹ thuật hóa học Trường Đại học tiểu bang Oregon, người đứng đầu nghiên cứu cho biết: “Việc sản xuất hydro đóng vai trò quan trọng đối với nhiều khía cạnh trong cuộc sống của chúng ta, chẳng hạn như pin nhiên liệu cho ô tô và tạo ra nhiều hóa chất hữu ích như ammoniac. Nó cũng được sử dụng trong quá trình tinh luyện kim loại, sản xuất các vật liệu nhân tạo như nhựa và cho một loạt các mục đích khác”.

Theo Bộ Năng lượng Hoa Kỳ, hầu hết sản xuất hydro từ nguồn mêtan như khí tự nhiên đều thông qua phương pháp có tên là phương pháp thay đổi hơi nước-mê tan (steam-methane reforming). Quy trình này bao gồm các quy trình chuyển đổi khí mê-tan thành hơi nước áp lực với sự có mặt của chất xúc tác, tạo ra phản ứng tạo ra hydro và carbon monoxide và một lượng nhỏ carbon dioxide.

Bước tiếp theo được gọi là phản ứng chuyển đổi nước - khí, trong đó cacbon monoxit và hơi nước được phản ứng thông qua một chất xúc tác khác, tạo ra cacbon đioxit và hydro bổ sung. Bước cuối cùng, hấp phụ áp suất chuyển đổi, carbon dioxide và các tạp chất khác bị loại bỏ, giữ lại hydro tinh khiết.

So với phương pháp thay đổi khí tự nhiên, sử dụng điện từ các nguồn năng lượng tái tạo để tách nước lấy hydro thì phương pháp này là sạch hơn và bền vững hơn. Tuy nhiên, hiệu suất tách nước thấp, chủ yếu là do điện thế cao (quá thế) - chênh lệch giữa điện thế thực tế và điện thế lý thuyết của phản ứng điện hóa – của phản ứng tiến hóa oxy hoặc OER, một bán phản ứng quan trọng trong quy trình này. Bán phản ứng là hai phần của phản ứng oxi hóa khử, phản ứng trong đó các electron được di chuyển giữa hai chất phản ứng; khử là nhận electron, oxi hóa nghĩa là mất electron, Feng nói.

Khái niệm bán phản ứng thường được dùng để mô tả những gì diễn ra trong tế bào điện hóa, và các phản ứng bán phần thường được sử dụng như một cách để cân bằng các phản ứng oxy hóa khử. Quá điện thế là biên độ giữa hiệu điện thế lý thuyết và điện áp thực tế cần thiết để tạo ra phản ứng điện phân.

Các chất xúc tác điện rất quan trọng trong việc thúc đẩy phản ứng tách nước bởi nó hạ thấp thế năng, nhưng việc phát triển các chất xúc tác điện hiệu suất cao là việc không đơn giản. Một trong những trở ngại lớn là thiếu các thông tin liên quan đến cấu trúc phát triển của các chất xúc tác điện trong quá trình điện hóa. Hiểu được cấu trúc và sự tiến hóa hóa học của chất xúc tác điện trong OER là điều cần thiết để phát triển các vật liệu điện xúc tác chất lượng cao và năng lượng bền vững.

Giáo sư Feng và các cộng sự đã sử dụng bộ công cụ mô tả đặc tính tiên tiến để nghiên cứu sự tiến hóa cấu trúc nguyên tử của chất xúc tác điện OER hiện đại, stronti iridate (SrIrO3), trong chất điện phân axit.

“Chúng tôi muốn tìm hiểu nguồn gốc của hoạt tính cao kỷ lục của Stronti iridate (SrIrO3) đối với OER - cao hơn gấp 1.000 lần so với chất xúc tác thương mại thông thường, iridium oxide. Sử dụng thiết bị Synchrotron-based X-ray tại Argonne và quang phổ quang điện tử tia X trong phòng thí nghiệm tại Cơ sở hạ tầng công nghệ nano Tây Bắc tại OSU, chúng tôi đã quan sát thấy bề mặt hóa học và sự chuyển đổi tinh thể thành vô định hình của SrIrO3 trong OER”, ông nói.

Các quan sát đã mang đến sự hiểu biết sâu sắc về khả năng hoạt động của stronti iridate và dẫn đến khả năng thiết kế các chất xúc tác tốt hơn.

“Phát hiện chi tiết ở quy mô nguyên tử này của chúng tôi giải thích lớp strontium iridate hoạt tính hình thành trên strontium iridate như thế nào và cho thấy vai trò quan trọng của quá trình kích hoạt oxygen và sự khuếch tán ion đối với sự hình thành của các đơn vị OER hoạt tính”, Feng bày tỏ thêm.

P.T.T (NASATI), theo https://phys.org/news/2021-01-key-cleaner-sustainable-production-hydrogen.html, 15/1/2021