Khủng hoảng biến đổi khí hậu đòi hỏi phải tăng cường sử dụng những nguồn năng lượng tái tạo như năng lượng mặt trời và gió, nhưng do quá trình sản xuất không liên tục, vấn đề lưu trữ năng lượng đòi hỏi phải có giải pháp thông dụng và hiệu quả. 

Hydro xanh phi carbon hiện được coi là một phương án lưu trữ và vận chuyển năng lượng năng lượng tái tạo từ nguồn điện gió và mặt trời. Hydro không xả thải khí carbon vào khí quyển, nhưng quy trình sản xuất phức tạp và chi phí cao.

Phương pháp sản xuất hydro xanh là phân tách nước bằng điện hóa. Bản chất của quy trình này là dòng điện chạy qua nước với sự tham gia của chất xúc tác để tạo ra hydro và oxy.

Trong một công trình nghiên cứu, nhóm nhà khoa học thuộc Viện Công nghệ Georgia và Viện Nghiên cứu Công nghệ Georgia (GTRI), Mỹ phát triển một quy trình và chất xúc tác tách nước mới nhằm tối đa hóa hiệu quả sản xuất hydro xanh, trở thành một phương pháp đơn giản, dễ tiếp cận cho các cơ sở công nghiệp đang chuyển đổi sang hydro xanh để lưu trữ năng lượng tái tạo.

Nhóm nghiên cứu Georgia Tech theo dõi khí hydro và oxy được tạo ra từ một lò phản ứng tách nước. Ảnh: Georgia Tech

Năm 2021, Cơ quan Quản lý Biden đặt mục tiêu giảm 80% chi phí sản xuất hydro sạch trong một thập kỷ. Bộ Năng lượngMỹ đặt ra yêu cầu giảm chi phí hydro "sạch" hoặc hydro xanh xuống còn 1 USD/kg vào năm 2030.

Các nhà khoa học hy vọng sẽ sử dụng hydro xanh để lưu trữ năng lượng tái tạo. Trọng tâm nghiên cứu đặt ra là sử dụng điện tái tạo để tách  nước thành hydro và oxy, khiến hydro trở thành nguồn năng lượng chính cho các ngành công nghiệp.

Quy trình điện hóa phân tách nước quy mô công nghiệp thường sử dụng các kim loại quý hiếm, đắt tiền như platin và iridi. Do chất xúc tác có giá thành rất cao và hiếm, thách thức này là trở ngại chủ yếu cho việc sử dụng hydro xanh như nguồn năng lượng thay thế khí đốt. Theo công ty nghiên cứu thị trường Wood Mackenzie, hydro xanh chỉ chiếm chưa đến 1% sản lượng hydro hàng năm vào năm 2020 trên thế giới do chi phí cao của vật liệu.

Nhà nghiên cứu Seung Woo Lee, PGS thuộc Trường Kỹ thuật Cơ khí George W. Woodruff, chuyên gia về lưu trữ năng lượng điện hóa cho biết, công trình nghiên cứu đặt mục tiêu giảm sử dụng kim loại quý hiếm cho vật liệu xúc tác, tăng cường hoạt tính và hiệu suất của chất xúc tác. 

Trong báo cáo khoa học, được công bố trên Tạp chí  Ứng dụng xúc tác B: Môi trường và Năng lượng & Khoa học Môi trường, nhóm nghiên cứu của PGS Lee đưa ra giải pháp thiết kế một loại chất xúc tác lai mới, bao gồm các hạt nano kim loại trên chất nền oxit kim loại, sử dụng ít nguyên tố quý hiếm hơn và gia tăng hiệu suất của phản ứng điện hóa phân tác nước thành oxy và hydro. 

Những phát hiện này thiết lập mối quan hệ cấu trúc - tính chất của các chất xúc tác lai phức tạp để tách nước hiệu quả, hình thành một phương pháp mới trong thiết kế các chất xúc tác lai khác nhau cho các phản ứng điện hóa.

Công trình nghiên cứu được sự hỗ trợ tính toán và mô hình hóa từ Viện Nghiên cứu Năng lượng Hàn Quốc, phép đo tia X từ Đại học Quốc gia Kyungpook và Đại học Bang Oregon, đã tận dụng synctron của các quốc gia, nguồn phát siêu tia X có kích thước bằng sân bóng đá.  

Sử dụng tia X, nhóm nhà khoa học theo dõi sự thay đổi cấu trúc của chất xúc tác trong quá trình tách nước quy mô nanomet, nghiên cứu trạng thái oxy hóa và cấu hình nguyên tử của vật liệu trong các điều kiện hoạt động.

Jinho Park, TS khoa học Nano tại GTRI cho biết, công trình nghiên cứu mở ra phương hướng mới phát triển các chất xúc tác lai ghép, hoàn thiện khả năng kiểm soát cấu hình của chất xúc tác và sự tương tác của các hạt nano kim loại, giảm sử dụng kim loại quý hiếm và tăng độ bền của chất xúc tác trong quá trình phân tách nước.

Phát hiện quan trọng nhất là cấu trúc của chất xúc tác và sự tương tác giữa kim loại và vật liệu nền có ý nghĩa quyết định hiệu suất sản xuất hydro. Tối ưu hóa cấu trúc nano của chất xúc tác cho phép tăng tối đa hiệu quả sản xuất hydro và gia tăng sự bền vững của vật liệu.

Kết quả nghiên cứu này cho phép các nhà khoa học tiến hành những nghiên cứu mới, tìm kiếm những cấu trúc nano và sự tương tác giữa kim loại và ô xít kim loại để để phát triển các vật liệu xúc tác chất lượng cao, ổn định để sản xuất hydro xanh công nghiệp với chi phí thấp, hình thành nguồn năng lượng xanh bền vững thay thế khí tự nhiên và dầu mỏ.