Hydro là nhiên liệu đầy hứa hẹn trong tương lai, đặc biệt nếu được sản xuất phản ứng phân tách ừ ​​nước, nhưng những chất xúc tác cần thiết sử dụng kim loại quý rất hiếm, đắt tiền và không có đủ trữ lượng.

Trong một nghiên cứu được công bố trên tạp chí Advanced Materials , các nhà khoa học từ Đại học Tsukuba, Nhật Bản và các đối tác hợp tác phát triển những chất xúc tác, có thể khắc phục những hạn chế của kim loại quý.

 Hệ thống phân tách nước, sản xuất hydr.

Hydro là phân tử năng lượng cao, có thể là nhiên liệu tái tạo bền vững trong tương lai để thay thế nhiên liệu hóa thạch do trong quá trình cháy chỉ tạo ra nước. Nhưng hầu hết lượng hydro sản xuất hiện có nguồn gốc từ quá trình đốt cháy nhiên liệu hóa thạch.

Hydro được sản xuất từ quá trình phân tách ​​nước chắc chắn sẽ bền vững với môi trường. Nhưng những chất xúc tác kim loại cần thiết để thực hiện phản ứng điện hóa phân tách nước như bạch kim và iridi—rất khan hiếm, đắt tiền và hoạt động không ổn định trong môi trường axit và các điều kiện khắc nghiệt nhằm tăng hiệu suất sử dụng điện năng.

Kim loại nào có thể thay thế những chất xúc tác quý hiếm trong môi trường axit? Giải pháp mà Giáo sư Yoshikazu Ito và các đồng nghiệp đưa ra rất đáng ngạc nhiên: Sử dụng nhiều kim loại thông thường cùng một lúc.

Các nhà khoa học đã sử dụng những hợp kim có độ rối loạn phân tử (entropy) cao, là hỗn hợp của nhiều nguyên tố. Một số hợp kim trong hỗn hợp này có thể được sử dụng để phân tách nước, tạo ra một lượng lớn hydro, những hợp kim khác trải qua quá trình oxy hóa (nghĩa là thụ động hóa) hình thành những khả năng chống ăn mòn cho hợp kim.

GS Ito giải thích, "Việc xác định kim loại nào sẽ được sử dụng và theo tỷ lệ nào bằng những thí nghiệm truyền thống từ dưới lên, nghĩa là thay đổi, thêm hoặc bớt thành phần của một kim loại trong mỗi lần thí nghiệm đòi hỏi nhiều thời gian. Phương thức tiếp cận từ trên xuống của nhóm không chỉ tiết kiệm thời gian mà còn cung cấp những hiểu biết hóa học vô giá về cơ chế sản xuất hydro."

Cách tiếp cận của nhóm nghiên cứu trước hết là trộn đồng đều 9 nguyên tố kim loại cấu thành hợp kim, sau đó thụ động hóa bề mặt trong môi trường axit và cuối cùng đặt một điện áp để tạo điều kiện sắp xếp lại cấu trúc bề mặt nhằm tối ưu hóa hoạt động của chất xúc tác.

Những thí nghiệm và tính toán lý thuyết đã xác định những kim loại tham gia vào hoạt động xúc tác (sắt, crom, niken, coban và mangan) và những kim loại tham gia vào quá trình thụ động hóa (titan, zirconi, niobi và molypden). Hiệu suất vượt trội và khả năng chống ăn mòn của hợp kim entropy cao đã được chứng minh trong những thí nghiệm điện phân nước thực tế.

Cô Aimi A.H. Tajuddin, nghiên cứu sinh tiến sĩ, tác giả thứ nhất của nghiên cứu giải thích: “Trong các điều kiện thử nghiệm của chất điện phân axit sunfuric 0,5 mol, cần phải hy sinh một số độ ổn định để tối đa hóa hoạt động và ngược lại”.

"Chất xúc tác thể hiện mức điện quá áp chỉ vài trăm milivôn ở 10 miliampe/m2 trong các phản ứng điện hóa phân tách nước thành hydro và oxy. Hơn nữa, hiệu suất vượt trội của chất xúc tác ổn định trong những thử nghiệm chu trình điện hóa, tương đương với độ bền 3-4 năm trong các máy điện phân nước, vận hành bằng các nguồn năng lượng tái tạo như năng lượng mặt trời hoặc điện gió."

Nghiên cứu của các nhà khoa học Nhật Bản mở ra những khả năng mới và quan điểm mới nhằm thay thế các kim loại quý cực kỳ khan hiếm, đặc biệt là iridi với sản lượng toàn cầu chỉ 7 tấn mỗi năm. Với sự gia tăng sử dụng thiết bị điện phân nước trên toàn cầu, nhu cầu về iridi dự kiến ​​sẽ là 700 kg cho mỗi gigawatt.

Công trình nghiên cứu thành công trong nỗ lực cung cấp bằng chứng về khái niệm một phương pháp sản xuất hydro mới từ nước, không sử dụng kim loại quý, khả thi về kinh tế khi sử dụng năng lượng tái tạo. Phương pháp này chỉ tốn vài trăm USD cho mỗi kg chất xúc tác và phù hợp để sản xuất hàng loạt. Ứng dụng của các hợp kim entropy cao cho phép sản xuất hydro, pin nhiên liệu và nhiều sản phẩm khác cần chất xúc tác nhưng không sử dụng các kim loại quý hiếm.