Hydro xanh là nguồn năng lượng sạch và có thể tái tạo, có thể được sử dụng để cung cấp năng lượng cho các ứng dụng khác nhau, chẳng hạn như xe cộ, công nghiệp và lưới điện. Tuy nhiên, sản xuất hydro xanh từ nước cần rất nhiều năng lượng và chất xúc tác đắt tiền.
Xem thêm:
Năng lượng hạt nhân sắp thương mại hóa nhờ công cụ này
Thermocell: Sạc thiết bị đeo từ nhiệt lượng Cơ thể.
Vật liệu mới cho ngành dệt may: Vải năng lượng tự sạc.
Các nhà nghiên cứu từ Đại học Adelaide đã tìm ra cách cải thiện hiệu quả của chất xúc tác dựa trên iridi, thường được sử dụng trong quá trình điện phân nước, bằng cách sắp xếp các phân tử nước theo một mô hình cụ thể. Điều này có thể dẫn đến một cách rẻ hơn và bền vững hơn để tạo ra hydro xanh.
Điện phân nước là gì và tại sao nó lại quan trọng?
Điện phân nước là quá trình phân tách các phân tử nước thành hydro và oxy bằng dòng điện. Khí hydro được tạo ra có thể được lưu trữ và sử dụng làm nhiên liệu hoặc chuyển đổi thành các dạng năng lượng khác. Điện phân nước được coi là một phương pháp sản xuất hydro xanh nếu điện được sử dụng đến từ các nguồn tái tạo, chẳng hạn như năng lượng mặt trời hoặc gió.
Điện phân nước có thể giúp giải quyết một số thách thức liên quan đến năng lượng tái tạo không liên tục. Ví dụ, khi năng lượng mặt trời hoặc năng lượng gió dư thừa không thể được sử dụng bởi lưới điện, nó có thể được chuyển đổi thành hydro và được lưu trữ để sử dụng sau này. Bằng cách này, năng lượng tái tạo có thể được sử dụng hiệu quả và đáng tin cậy hơn.
Làm thế nào để iridi oxit giúp điện phân nước?
Điện phân nước cần chất xúc tác để tăng tốc độ phản ứng và giảm tiêu thụ năng lượng. Chất xúc tác là chất làm giảm năng lượng hoạt hóa của phản ứng hóa học mà không bị tiêu hao hay biến đổi trong quá trình đó. Iridi oxit là một trong những chất xúc tác hiệu quả nhất cho quá trình điện phân nước, đặc biệt là cho phản ứng tạo ra oxy (OER), đây là bước giới hạn tốc độ trong quy trình.
OER liên quan đến bốn electron và bốn proton chuyển từ các phân tử nước sang các nguyên tử oxy, dẫn đến khí oxy và nước. Iridi oxit có thể tạo điều kiện thuận lợi cho phản ứng này bằng cách cung cấp các vị trí hoạt động để chuyển electron và proton. Tuy nhiên, iridi oxit cũng có một số nhược điểm. Nó rất đắt và khan hiếm, vì vậy nên giảm thiểu việc sử dụng nó. Hơn nữa, nó có xu hướng xuống cấp theo thời gian do ăn mòn và kết tụ.
Sự sắp xếp phân tử nước ảnh hưởng đến hiệu suất của iridi oxit như thế nào?
Các nhà nghiên cứu từ Đại học Adelaide đã phát hiện ra rằng việc sắp xếp các phân tử nước theo một kiểu cụ thể trên bề mặt của iridi oxit có thể tăng cường hoạt động xúc tác và tính ổn định của nó. Họ gọi cơ chế này là OER lưới-nước hỗ trợ (LW-OER).
Trong LW-OER, các phân tử nước tạo thành cấu trúc lục giác trên lớp iridi oxit, tạo cầu nối giữa chất xúc tác và dung dịch điện phân. Điều này cho phép chuyển các electron và proton hiệu quả hơn trong OER. Các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng LW-OER có thể tăng hiệu quả của chất xúc tác iridi oxit lên 5-12%, tùy thuộc vào điều kiện vận hành.
Các nhà nghiên cứu cũng phát hiện ra rằng LW-OER có thể cải thiện tính ổn định của chất xúc tác iridi oxit bằng cách ngăn không cho chúng bị ăn mòn hoặc kết tụ. Các phân tử nước hoạt động như một lớp bảo vệ ngăn các nguyên tử oxy tấn công các nguyên tử iridi hoặc tạo thành các cụm lớn hơn. Bằng cách này, các chất xúc tác có thể duy trì hoạt động của chúng trong thời gian dài hơn.
Ý nghĩa và thách thức của nghiên cứu này là gì?
Việc khám phá ra LW-OER mở ra những khả năng mới cho việc thiết kế các chất xúc tác hiệu suất cao cho quá trình điện phân nước và các phản ứng điện hóa khác. Bằng cách tối ưu hóa sự sắp xếp phân tử nước trên các chất xúc tác iridi oxit, có thể giảm lượng iridi cần thiết và giảm chi phí sản xuất hydro xanh. Điều này có thể làm cho hydro xanh dễ tiếp cận hơn và giá cả phải chăng cho các ứng dụng khác nhau.
Tuy nhiên, vẫn còn một số thách thức cần vượt qua trước khi LW-OER có thể được áp dụng trên quy mô lớn. Một thách thức là mở rộng quy trình tổng hợp các chất xúc tác iridi oxit với sự sắp xếp phân tử nước tối ưu. Một thách thức khác là tiếp tục điều tra cơ chế và động học của LW-OER trong các điều kiện khác nhau và so sánh nó với các cơ chế OER khác.
Các nhà nghiên cứu hy vọng rằng phát hiện của họ sẽ truyền cảm hứng cho nhiều nghiên cứu hơn về cách các phân tử nước có thể ảnh hưởng đến hiệu suất xúc tác và dẫn đến những cải tiến mới trong công nghệ hydro xanh.