Nhóm nghiên cứu do Feng Jiao, phó giáo sư kỹ thuật hóa học và phân tử sinh học tại trường Đại học Delware dẫn đầu, đã xin cấp sáng chế cho quy trình cốt lõi để sản xuất hydro xanh từ nước bằng cách sử dụng điện và chất xúc tác đồng-titan.

Tập trung vào năng lượng tái tạo

Ban đầu, nhóm nghiên cứu đã tập trung phát triển các quy trình biến đổi CO2 thành hóa chất hữu ích như ethanol được sử dụng trong nhiên liệu tổng hợp hoặc ethylene dùng để sản xuất polyme và nhựa. Dự án này được nhận tài trợ từ Quỹ khoa học quốc gia và sau đó là Cơ quan hàng không vũ trụ quốc gia (NASA), đã khám phá ra những phương thức biến đổi CO2 thành oxy, rất có ích cho việc thám hiểm không gian sâu. Các nhà khoa học đã phát triển được một hệ thống hiệu quả, nhưng nhận thấy cần có chất xúc tác hiệu quả hơn để thúc đẩy phản ứng.

Khi thử nghiệm với nhiều kim loại khác nhau, các nhà khoa học bất ngờ khi phát hiện ra hợp kim đồng - titan trong số ít chất xúc tác kim loại không quý hiếm, có thể tách nước thành khí hydro và oxy. Cả đồng và titan đều được coi là rẻ tiền và tương đối dồi dào khi so sánh với các kim loại quý như bạc hoặc bạch kim thường được sử dụng.

Hydro hiện được sản xuất bằng cách xúc tác reforming hơi metan, trong đó khí thiên nhiên và nhiệt cao được sử dụng để giải phóng các phân tử hydro khỏi metan. PGS. Jiao gọi đó là “quy trình bẩn” vì khi loại bỏ khí hydro, tất cả những gì còn lại là cacbon, thường ở dạng CO2. Từ đó, nhóm nghiên cứu nghĩ đến tập trung vào những phương thức sạch để sản xuất hydro mà không phải trả chi phí môi trường.

Quy trình xanh, sạch hơn

Đồng được biết là vừa dẫn nhiệt và dẫn điện tốt. Đây là lý do tại sao vật liệu này được lựa chọn cho hệ thống dây điện trong nhà, dụng cụ nấu ăn, các thiết bị điện tử, phụ tùng xe cơ giới, thậm chí điều hòa không khí và các bộ phận sưởi ấm trong nhà. Tuy nhiên, chỉ riêng đồng không sản xuất hydro hiệu quả. Nhưng chỉ bổ sung một chút titan lại mở ra nhiều triển vọng để tạo ra các chất xúc tác hiệu quả không ảnh hưởng đến môi trường.

PGS. Jiao cho biết: “Nhờ có một chút titan, chất xúc tác đồng hoạt động tốt hơn khoảng 100 lần so với chỉ riêng đồng. Đây là lý do khi được kết hợp với nhau, hai kim loại tạo ra các vị trí hoạt động độc đáo giúp các nguyên tử hydro tương tác mạnh với bề mặt xúc tác theo cách tương đương với hiệu quả của nhiều chất xúc tác bạch kim đắt đỏ”.

Theo Jiao, trong khi các quá trình hóa học truyền thống bắt đầu với nhiên liệu hóa thạch như than đá hoặc khí đốt và bổ sung oxy để tạo ra nhiều hóa chất khác nhau, nhưng với hydro, phản ứng hóa học ngược là có thể.

Kết quả ban đầu cho thấy chất xúc tác đồng - titan có thể sản sinh năng lượng hydro từ nước với tốc độ cao hơn 2 lần so với chất xúc tác bạch kim hiện đại nhất hiện nay. Quá trình điện hóa của PGS. Jiao có thể hoạt động ở nhiệt độ gần như nhiệt độ phòng, phần lớn làm tăng hiệu quả năng lượng xúc tác và làm giảm đáng kể chi phí vốn chung của hệ thống.

Theo PGS. Jiao, cần thực hiện nhiều nghiên cứu để nhân rộng quy trình cho các ứng dụng thương mại. Những nỗ lực phát triển trong tương lai sẽ tập trung vào các phương thức để mở rộng kích thước của máy điện phân nước từ quy mô phòng thí nghiệm sang quy mô thương mại. Dự kiến thử nghiệm bổ sung về mức độ ổn định của chất xúc tác cũng được thực hiện.

N.P.D (NASATI), theo https://www.udel.edu/udaily/2019/january/greener-hydrogen-catalyst/, 1/2019