Một phản ứng điện hóa phân tách các phân tử nước tạo ra oxy là trọng tâm của nhiều phương pháp sản xuất nhiên liệu thay thế cho giao thông vận tải. Nhưng phản ứng này hoạt động nhờ vật liệu xúc tác, yêu cầu sử dụng các nguyên tố hiếm và đắt tiền như iridi, hạn chế tiềm năng sản xuất nhiên liệu.

Nhóm nghiên cứu tại Viện Công nghệ Massachusetts (MIT) và các cơ sở khác đã phát triển một loại vật liệu xúc tác hoàn toàn mới, được gọi là khung hữu cơ hydroxit kim loại (MHOF), chế tạo từ các thành phần rẻ tiền và phong phú. Nhóm vật liệu này cho phép các kỹ sư điều chỉnh chính xác cấu trúc và thành phần của chất xúc tác theo nhu cầu của một quy trình hóa học cụ thể, chất xúc tác mới hoàn toàn phù hợp hoặc vượt quá hiệu suất của những chất xúc tác thông thường, đắt tiền hơn.

Công trình nghiên cứu được công bố ngày 24/2/ 2022, trên tạp chí Nature Materials, trong một bài báo của MIT do nghiên cứu sinh sau TS Shuai Yuan, nghiên cứu sinh Jiayu Peng, GS Yang Shao-Horn, GS Yuriy Román-Leshkov và 9 nhà khoa học khác.

Phản ứng phân tách oxy là một trong những phản ứng phổ biến trong quá trình sản xuất bằng phương pháp điện hóa nhiên liệu, hóa chất và vật liệu. Những quy trình này bao gồm phân tách hydro như một sản phẩm phụ của quá trình phân tách oxy, được sử dụng trực tiếp làm nhiên liệu hoặc thông qua các phản ứng hóa học để sản xuất các loại nhiên liệu vận tải khác nhau, sản xuất amoniac sử dụng làm phân bón hoặc nguyên liệu hóa học, giảm carbon dioxide để kiểm soát khí thải.

Nhưng nếu không có sự trợ giúp, những phản ứng này diễn ra chậm chạp, điều đó buộc phải tăng điện năng để đẩy nhanh tốc độ phản ứng. Do cần thêm năng lượng đầu vào, hiệu suất tổng thể thu được rất thấp. Do đó cần sử dụng chất xúc tác nhằm thúc đẩy phản ứng tự nhiên, giảm năng lượng đầu vào.

Nhưng cho đến nay, những chất xúc tác này đều chế tạo trên cơ sở các vật liệu đắt tiền hoặc các kim loại chuyển tiếp muộn rất khan hiếm, như oxit iridi, Cộng đồng các nhà khoa học rất nỗ lực tìm kiếm các giải pháp thay thế, sử dụng các vật liệu dồi dào trên Trái đất có cùng chức năng hoạt động và sự ổn định, Nhóm nghiên cứu đã tìm thấy vật liệu cung cấp chính xác sự kết hợp những đặc điểm đó.

Những nhóm nghiên cứu khác đã khám phá việc sử dụng các hydroxit kim loại, như hydroxit niken-sắt. Nhưng những vật liệu như vậy rất khó điều chỉnh theo yêu cầu của những ứng dụng cụ thể. Nhưng nhóm nghiên cứu MIT đã tìm ra cách điều chỉnh các đặc tính bằng giải pháp thiết kế cấu trúc nano các hydroxit kim loại này một cách độc đáo.

Nhóm nhà khoa học sử dụng kinh nghiệm từ nghiên cứu, được thực hiện với nhóm hợp chất liên quan được gọi là khung kim loại-hữu cơ ( MOF ), một cấu trúc tinh thể được tạo ra từ các nút oxit kim loại liên kết với nhau bằng các phân tử liên kết hữu cơ. Các nhà khoa học nhận thấy, thay thế oxit kim loại trong những vật liệu đó bằng một số hiđroxit kim loại nhất định sẽ tạo ra các vật liệu có thể điều chỉnh chính xác đồng thời có độ ổn định cần thiết để làm chất xúc tác.

Theo nhóm nghiên cứu, đặt các chuỗi liên kết hữu cơ này bên cạnh nhau, hình thành các tấm hydroxit kim loại liên kết với nhau bằng các liên kết hữu cơ, những tấm này được xếp chồng lên nhau và có độ ổn định cao hơn. Cấu trúc này cho phép kiểm soát chính xác các mẫu cấu trúc nano, các đặc tính điện tử của kim loại, có được sự ổn định cao hơn, tồn tại trong thời gian dài sử dụng.

Trong thử nghiệm, hiệu suất của các chất xúc tác rất cao, có thể so sánh với vật liệu oxit xúc tác hiện đại nhất cho phản ứng phân tách oxy. Chất xúc tác có cấu tạo phần lớn từ niken và sắt, rẻ hơn 100 lần so với những chất xúc tác hiện có và cho phép giảm năng lượng đầu vào do có thể điều chỉnh chính xác cho bất kỳ quá trình hóa học nào cần các chất xúc tác.

Các vật liệu này cũng có thể được sản xuất ở dạng tấm cực mỏng, sau đó được phủ lên vật liệu khác, làm giảm hơn nữa chi phí vật liệu cho các hệ thống phân tách điện hóa.

Các vật liệu đã được thử nghiệm trong các thiết bị quy mô nhỏ trong phòng thí nghiệm, nhóm nghiên cứu hiện đang nghiên cứu giải quyết các vấn đề mở rộng quy trình lên quy mô thương mại Nhưng ý tưởng thực sự có tiềm năng to lớn, giúp xúc tác sản xuất nhiên liệu hydro sạch, không phát thải quy mô lớn.