Nguồn cung cấp nhiên liệu hóa thạch hạn chế và những mối đe dọa ngày càng gia tăng của biến đổi khí hậu thúc đẩy các nhà nghiên cứu phát triển những công nghệ thay thế để sản xuất nhiên liệu thân thiện với môi trường.

Hydro xanh, sản xuất từ quá trình điện phân nước, sử dụng điện tái tạo được coi là nguồn năng lượng tái tạo thế hệ mới cho tương lai. Nhưng trên thực tế, phần lớn nhiên liệu hydro thu được từ công nghệ tinh chế nhiên liệu hóa thạch do chi phí điện phân cao.

Hiện nay, hiệu quả quy trình điện phân nước hạn chế và thường đòi hỏi điện áp tế bào điện hoa cao do thiếu chất xúc tác hiệu quả cho các phản ứng phân tách hydro. Các kim loại quý như bạch kim (Pt), sử dụng làm chất xúc tác nhằm cải thiện quá trình tạo hydro trong cả môi trường axit / kiềm. Nhưng những chất xúc tác kim loại quý rất đắt tiền, độ ổn định kém khi hoạt động lâu dài.

Những thí nghiệm gần đây cho thấy, những chất xúc tác đơn nguyên tử có hoạt tính tuyệt vời, vượt trội hơn với các chất xúc tác phát triển trên vật liệu nano.

Kết quả này có được do các chất xúc tác mới có thể đạt mức sử dụng nguyên tử đến 100%, trong khi các hạt nano chỉ những nguyên tử bề mặt mới tham gia phản ứng. Nhưng do sự đơn giản của trung tâm nguyên tử kim loại đơn, quá trình biến đổi chất xúc tác để thực hiện những phản ứng phức tạp nhiều bước rất khó khăn.

Phương thức đơn giản nhất để sửa đổi các kim loại nguyên tử đơn là chuyển hóa thành các dimer đơn nguyên tử, kết hợp hai nguyên tử đơn lẻ khác lại với nhau. Điều chỉnh vị trí hoạt động của chất xúc tác đơn nguyên tử bằng dimer có thể tăng cường động học phản ứng nhờ hiệu ứng hiệp đồng giữa hai nguyên tử khác nhau. Nhưng các nhà khoa học chỉ mới biết đến khái niệm tổng hợp và xác định cấu trúc dimer đơn nguyên tử, nhưng thực hiện trong thực tế rất khó khăn.

Nhóm nghiên cứu do PGĐ LEE Hyoyoung tại Trung tâm Vật lý Cấu trúc Nano Tích hợp thuộc Viện Khoa học Cơ bản (IBS), Đại học Sungkyunkwan đã giải quyết khó khăn này. Trong công trình nghiên cứu, nhóm nhà khoa học IBS đã phát triển thành công cấu trúc dimer Ni-Co phân tán nguyên tử ổn định trên cơ chất hỗ trợ cacbon pha tạp nitơ, được đặt tên là NiCo-SAD-NC. Nghiên cứu được công bố trên Tạp chí Nature Communications

Ashwani Kumar, tác giả nghiên cứu cho biết nhóm đã tổng hợp thành công cấu trúc dimer đơn nguyên tử Ni-Co trên cơ chất hỗ trợ cacbon tạp chất nitơ (N) thông qua bẫy tại chỗ các ion Ni / Co vào khối cầu polydopamine, nhiệt phân với sự phối trí N được kiểm soát chính xác.

Nhóm nghiên cứu sử dụng kính hiển vi điện tử truyền qua hiện đại và quang phổ hấp thụ tia X để xác định thành công các vị trí NiCo-SAD với độ chính xác nguyên tử.

Các nhà khoa học thấy được, ủ trong hai giờ ở 800 ° C trong khí argon là điều kiện tốt nhất để có được cấu trúc dimer. Các chất xúc tác dimer đơn nguyên tử khác, như CoMn và CoFe cũng có thể được tổng hợp bằng phương pháp tương tự, cho thấy tính phổ quan chung của phương pháp thực hiện.

Nhóm nghiên cứu đã đánh giá hiệu quả xúc tác của hệ thống mới trên cơ sở các điều kiện quá áp tiềm năng cần thiết để thúc đẩy phản ứng phân tách hydro.

Chất xúc tác điện NiCo-SAD-NC có mức độ quá áp tương đương với chất xúc tác trên cơ sở bạch kim (Pt) thương mại trong môi trường axit và kiềm. NiCo-SAD-NC thể hiện hoạt tính cao hơn 8 lần so với xúc tác đơn nguyên tử Ni / Co và các hạt nano NiCo dị thể trong môi trường kiềm.

Chất xúc tác mới cũng đạt được hoạt tính cao hơn lần lượt 17 và 11 lần so với xúc tác đơn nguyên tử Co và Ni, cao hơn 13 lần so với xúc tác hạt nano Ni/Co thông thường trong môi trường axit.

Đồng thời, nhóm nghiên cứu chứng minh tính ổn định lâu dài của chất xúc tác mới, thúc đẩy phản ứng trong 50 giờ liên tiếp nhưng không có bất kỳ sự thay đổi cấu trúc nào. NiCo-SAD thể hiện khả năng phân tách nước vượt trội và hấp phụ proton hơn hẳn so với các dimer đơn nguyên tử khác và các chất xúc tác trung tâm đơn nguyên tử Ni/Co, tăng cường hoạt động của chất xúc tác phổ pH trên cơ sở mô phỏng lý thuyết hàm mật độ.

 

Sơ đồ quá trình phản ứng tiến hóa hydro (HER) sử dụng NiCo-SAD ổn định trên cơ chất cacbon pha tạp N. Ảnh Viện Khoa học Cơ bản IBS.

Thử nghiệm ban đầu cho thấy, chất xúc tác cấu trúc NiCo-SAD phân tách các phân tử nước với mức năng lượng thấp hơn nhiều và tăng tốc phản ứng phân tách hydro trong cả môi trường kiềm và axit với hiệu suất tương đương với Bạch kim (Pt), xóa bỏ những nhược điểm của chất xúc tác đơn nguyên tử Ni và Co.

Kêt quả của nghiên cứu này có ý nghĩa quan trọng trong nền kinh tế hydro xanh phi carbon. Chất xúc tác điện phân hydro hiệu quả cao và rẻ tiền này sẽ giải quyết những thách thức tồn đọng lâu dài về phương pháp sản xuất hydro xanh với chi phí thấp và thân thiện môi trường.