Theo dữ liệu từ Bộ Đất đai, Cơ sở hạ tầng và Giao thông Hàn Quốc, khoảng 30.000 phương tiện chạy bằng nhiên liệu hydro được đăng ký trong năm 2022, tăng gấp 3 lần so với năm 2018. Nhưng quốc gia này chỉ có 135 trạm tiếp nhiên liệu hydro.

Để nhiên liệu hydro dễ tiếp cận hơn đối với các phương tiện giao thông và được thừa nhận là nguồn năng lượng thay thế đáng tin cậy cho các ngành công nghiệp phi carnon, vấn đề cần thiết là giảm chi phí sản xuất hydro, đảm bảo sử dụng nhiên liệu hydro có hiệu quả kinh tế cao. Trọng tâm phát triển ngành năng lượng xanh này là tối ưu hóa hiệu quả quy trình điện phân nước để sản xuất hydro.

Nghiên cứu đột phá trong sản xuất hydro bằng điện phân

Trong một nghiên cứu khoa học gần đây, một nhóm nhà khoa học bao gồm GS In Su Lee, GS khoa học Soumen Dutta và Byeong Su Gu từ Khoa Hóa học tại Đại học Khoa học và Công nghệ Pohang (POSTECH) đạt được khả năng tăng cường hiệu quả sản xuất hydro, nguồn năng lượng xanh trên cơ sở phát triển chất xúc tác nano bạch kim mới.

Minh họa cơ chế của chất xúc tác nano lai ba kim loại cho quá trình phân tách hydro. Ảnh: POSTECH

Nhóm nghiên cứu Hàn Quốc đã hđạt được kỳ tích này bằng phương pháp lắng đọng 2 kim loại khác nhau theo từng bước. Những phát minh trong nghiên cứu được công bố trên Angewandte Chemie, tạp chí uy tín trong lĩnh vực công nghệ hóa học.

Những thách thức và đổi mới trong phát triển chất xúc tác

Quy trình lắng đọng những vật liệu riêng biệt theo phương thức có chọn lọc trên các vị trí cụ thể của bề mặt chất xúc tác, có kích thước trong phạm vi nanomet đặt ra những thách thức rất lớn. Quá trình lắng đọng vật liệu ngoài ý muốn có thể ngăn chặn những vị trí hoạt động của chất xúc tác hoặc cản trở chức năng của các vật liệu trong chất xúc tác. Tình trạng khó khăn này ngăn cản khả năng lắng đọng đồng thời cả hai vật liệu niken và palladium lên bề mặt một vật liệu duy nhất. Niken chịu trách nhiệm kích hoạt quá trình phân tách nước, còn paladium tạo điều kiện cho quá trình chuyển đổi các ion hydro thành phân tử hydro.

Sơ đồ tổng hợp và giải phóng hydro của chất xúc tác lai (hybrid) ba kim loại.Ảnh: POSTECH

Nhóm nghiên cứu đã thiết kế và phát triển một lò phản ứng nano mới, có thể kiểm soát chính xác vị trí của kim loại lắng đọng trên tinh thể nano phẳng 2D. Hơn thế nữa, trong một sáng kiến mang tính đột phá, các nhà khoa học Hàn Quốc phát minh ra quy trình lắng đọng mịn quy mô nano, cho phép phủ các mặt khác nhau của tinh thể nano bạch kim 2D bằng những vật liệu khác nhau. Phương thức tiếp cận mới cho phép chế tạo vật liệu xúc tác lai ba kim loại “bạch kim-niken-paladium”, đạt được bằng giải pháp tiến hành những lắng đọng liên tiếp bao phủ có chọn lọc bề mặt phẳng và các cạnh của tinh thể nano bạch kim 2D với các màng mỏng nano paladium và niken tương ứng.

Hiệu quả nâng cao của chất xúc tác lai niken-paladium-bạch kim

Chất xúc tác lai (hybrid) có các bề mặt tiếp xúc niken-bạch kim và paladium-bạch kim riêng biệt được định vị để tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình phân tách nước và tạo ra phân tử hydro tương ứng. Sự cộng tác của hai quy trình khác nhau này đã làm tăng đáng kể hiệu quả của quá trình phản ứng điện phân nước thành oxy-hydro.

Kết quả nghiên cứu cho thấy, chất xúc tác nano lai ba kim loại có hoạt tính xúc tác tăng gấp 7,9 lần so với chất xúc tác platin-cacbon thông thường. Hơn nữa, chất xúc tác mới thể hiện tính ổn định cao, duy trì hoạt tính xúc tác cao ngay cả sau thời gian thực hiện phản ứng phân tách nước thành hydro – oxy kéo dài 50 giờ. Ưu điểm này giải quyết vấn đề gây nhiễu hoặc triệt tiêu chức năng giữa các giao diện khác nhau.

GS In Su Lee, lãnh đạo công trình nghiên cứu rất lạc quan tuyên bố: “Chúng tôi đã phát triển thành công các giao diện dị thể hài hòa, được hình thành trên vật liệu lai, vượt qua những trở ngại của quá trình lắng đọng vật liệu trên bề mặt 2D nano bạch kim. Tôi hy vọng kết quả nghiên cứu sẽ được ứng dụng rộng rãi trong quá trình phát triển vật liệu xúc tác tối ưu hóa cho phản ứng điện hóa sản xuất hydro.”