Một nguồn cung cấp năng lượng sạch dồi dào mà thế giới chưa khai thác được, đó là hydro, được chiết xuất từ ​​​​nước (H2O) bằng năng lượng tái tạo. Các nhà khoa học hiện đang tập trung nghiên cứu khám phá những công nghệ hiệu quả về chi phí để sản xuất hydro sạch từ nước, hướng tới mục đích thay thế nhiên liệu hóa thạch và ngăn chặn những hậu quả của biến đổi khí hậu.

Hydrogen là nguồn năng lượng mạnh mẽ cho ngành công nghiệp và các phương tiện giao thông, ngoài nước không phát thải khí nhà kính. Hydro đóng vai trò quan trọng trong hàng loạt quy trình công nghiệp, đặc biệt là trong sản xuất thép và amoniac. Sử dụng hydro sạch trong các ngành công nghiệp mang lại lợi ích to lớn không chỉ đối với môi trường mà còn nâng cao được chất lượng sản phẩm.

Nhóm nhà khoa học đa tổ chức do Phòng thí nghiệm quốc gia Argonne của Bộ Năng lượng Mỹ (DOE) dẫn đầu đã phát triển thành công một chất xúc tác chi phí thấp cho quy trình phân tách nược để sản xuất hydro xanh. Những nhà khoa học khác tham gia đóng góp vào phát minh này là Phòng thí nghiệm Quốc gia Sandia của DOE, Phòng thí nghiệm Quốc gia Lawrence Berkeley, công ty nghiên cứu và phát triển công nghệ điện hóa có trụ sở tại Boston Giner.

PGS TS Di-Jia Liu, nhà hóa học cao cấp tại Argonne đồng thời có vị trí là nhà nghiên cứu của Trường Kỹ thuật Phân tử Pritzker tại Đại học Chicago cho biết: “Quá trình điện phân tách nước thành hydro và oxy đã có hơn một thế kỷ.”

Máy điện phân màng trao đổi proton (PEM) đại diện cho một thế hệ công nghệ mới cho quá trình phân tách này. Thiết bị cho phép tách nước thành hydro và oxy với hiệu suất cao hơn trong điều kiện gần nhiệt độ phòng. Nhu cầu năng lượng giảm khiến thiết bị trở thành lựa chọn lý tưởng để sản xuất hydro sạch bằng phương pháp sử dụng các nguồn năng lượng tái tạo không liên tục như điện mặt trời và điện gió.”

Nhà hóa học cao cấp, PGS – TS Di-Jia Liu kiểm tra một mẫu chất xúc tác bên trong lò ống sau khi xử lý nhiệt, đồng thời TS Chenzhao Li chuẩn bị một lò phản ứng áp suất để tổng hợp chất xúc tác. Ảnh: Phòng thí nghiệm quốc gia Argonne

Theo PGS-TS Liu, máy điện phân màng trao đổi proton (PEM) hoạt động với những chất xúc tác riêng biệt cho từng điện cực (cực âm và cực dương). Chất xúc tác cực âm tạo ra hydro, chất xúc tác cực dương tạo thành oxy. Một vấn đề quan trọng là chất xúc tác cực dương sử dụng iridi, có giá thị trường hiện khoảng 5.000 USD/ounce (1 ouce khoảng 28 gam). Tình trạng thiếu nguồn cung và giá thành cao của iridi là trở ngại rất lớn trong tiến trình phổ cập rộng rãi các máy điện phân PEM để sản xuất hydro ở cấp độ công nghiệp.

Thành phần chính trong chất xúc tác mới, do nhóm nghiên cứu phát triển là coban, rẻ hơn nhiều so với iridi. Liu cho biết: “Chúng tôi đã tìm cách phát triển chất xúc tác cực dương chi phí thấp trong máy điện phân PEM, sản xuất hydro với công suất cao đồng thời tiêu thụ năng lượng tối thiểu. Bằng giải pháp sử dụng chất xúc tác trên cơ sở coban, được điều chế theo phương pháp của chúng tôi, có thể loại bỏ nút thắt chi phí chính để sản xuất hydro sạch bằng máy điện phân PEM.”

Giner, công ty nghiên cứu và phát triển công nghệ điện hóa hàng đầu đang tìm giải pháp thương mại hóa máy điện phân và pin nhiên liệu, thử nghiệm đánh giá chất xúc tác mới bằng phương thức sử dụng những trạm thử nghiệm máy điện phân PEM của doanh nghiệp trong điều kiện vận hành sản xuất công nghiệp. Hiệu suất và độ bền vượt xa những chất xúc tác của các đối thủ cạnh tranh.

Vấn đề quan trọng được đặt ra, để nâng cao hơn nữa hiệu suất của chất xúc tác cần hiểu rõ cơ chế phản ứng quy mô nguyên tử trong điều kiện vận hành của máy điện phân. Nhóm nghiên cứu đã giải mã những thay đổi cấu trúc quan trọng xảy ra trong chất xúc tác trong các điều kiện vận hành công nghiệp bằng phương pháp sử dụng những phân tích tia X tại thiết bị Nguồn Photon Nâng cao (APS) ở Argonne. Nhóm nhà khoa học cũng xác định những tính năng hóa học chính của chất xúc tác bằng phương thức sử dụng kính hiển vi điện tử tại Phòng thí nghiệm Sandia và Trung tâm Vật liệu nano (CNM) của Argonne. APS và CNM đều là Cơ sở người dùng của Văn phòng Khoa học DOE (thiết bị dành cho nghiên cứu khoa học cấp độ quốc gia).

Jianguo Wen, nhà khoa học vật liệu của Argonne cho biết: “Chúng tôi đã chụp ảnh cấu trúc nguyên tử trên bề mặt của chất xúc tác mới ở những giai đoạn chuẩn bị khác nhau. Đồng thời, mô hình tính toán tại Phòng thí nghiệm Berkeley cũng cung cấp những kiến thức quan trọng về độ bền của chất xúc tác trong các điều kiện phản ứng.

Thành quả nghiên cứu của nhóm là một bước tiến trong sáng kiến ​​Earthshot năng lượng hydro của DOE, theo chương trình vũ trụ của Mỹ “Moon Shot” vào những năm 1960. Mục tiêu đầy tham vọng của Earthshot là giảm chi phí sản xuất hydro xanh xuống còn một USD cho mỗi kg trong một thập kỷ. Sản xuất hydro xanh với chi phí đó có thể định hình lại nền kinh tế quốc gia. Những ứng dụng quan trọng bao gồm cung cấp nguồn điện năng cho lưới điện, sản xuất công nghiệp, giao thông vận tải, sưởi ấm khu dân cư và thương mại hydro.

Ông Liu nhấn mạnh: “Nhìn chung, kết quả nghiên cứu thiết lập hướng đi đầy hứa hẹn trong khả năng thay thế các chất xúc tác làm từ kim loại quý đắt tiền bằng những nguyên tố rẻ và phong phú hơn nhiều.”