Phát minh mới của các nhà khoa học Hàn Quốc giúp giảm sử dụng kim loại quý hiếm trong quy trình điện phân hydro xanh.
Nhiên liệu Hydro xanh, nhân tố chính trong tiến trình chuyển đổi sang nền kinh tế trung hòa carbon đối mặt với một thách thức rất lớn, đó là chi phí sản xuất quá cao.
Theo một bài viết trên trang Newswise, chi phí sản xuất hydro xanh chủ yếu xuất phát từ nhu cầu những kim loại hiếm đắt tiền như iridi và bạch kim, được sử dụng trong các thiết bị điện phân nước và màng điện phân polymer để sản xuất loại hydro thân thiện với môi trường.
Theo Kỹ thuật Thú vị (Interesting Engineering), một phát minh đột phá do Trung tâm nghiên cứu tế bào hydro và nhiên liệu tại Viện Khoa học và Công nghệ Hàn Quốc (KIST) phát triển có thể sẽ giúp vượt qua trở ngại này.
Nhóm nhà khoa học KIST do TS Hyun S. Park và TS Sung Jong Yoo dẫn đầu đã phát triển một phương pháp mới, giảm đáng kể lượng bạch kim và iridi cần thiết trong những lớp bảo vệ của các thiết bị điện phân hydro từ nước. Đồng thời, việc giảm đáng kể những kim loại quý hiếm này không ảnh hưởng đến hiệu suất hoặc độ bền của các điện cực, hai yếu tố quan trọng của công nghệ điện phân hydro quy mô lớn cấp công nghiệp.
Các nhà khoa học Hàn Quốc đã có sáng kiến mang tính đột phá, thay vì chỉ tập trung vào nghiên cứu giải pháp giảm lượng chất xúc tác iridi như những nghiên cứu được thực hiện trước đây, nhóm nhà khoa học đã thay thế kim loại quý trong lớp bảo vệ bằng sắt nitrit rẻ tiền, có diện tích bề mặt lớn. Sau đó sử dụng một lượng nhỏ chất xúc tác iridi phủ đều lên bề mặt. Giải pháp này đã khiến hiệu quả kinh tế của thiết bị tăng lên rõ rệt.
Những thiết bị điện phân đóng vai trò then chốt trong sản xuất hydro xanh, cung cấp hydro và oxy có độ tinh khiết cao bằng phương pháp phân tách nước dưới tác động của nguồn điện tái tạo như điện mặt trời. Hơn thế nữa, các thiết bị điện phân còn cung cấp hydro cho những ngành công nghiệp quan trọng nhằm khử carbon như luyện thép và sản xuất hóa chất.
Điện phân nước thành hydro và ô xy cũng là giải pháp lưu trữ năng lượng tái tạo dưới dạng nhiên liệu hydro, khiến các thiết bị điện phân nước trở thành các phương tiện có hiệu quả kinh tế giá trị gia tăng và có ý nghĩa quan trọng trong quá trình hiện thực hóa nền kinh tế xanh trên nền tảng nhiên liệu hydro.
Trong các thiết bị điện phân tiêu chuẩn, điện cực tạo oxy hoạt động trong môi trường ăn mòn cao cần có lớp bảo vệ bằng vàng hoặc bạch kim. Trên bề mặt của điện cực được phủ một lớp chất xúc tác iridi. Nhưng cả hai loại kim loại quý hiếm này này đều có trữ lượng tài nguyên thấp và có sản lượng ở mức tối thiểu. Đây chính là trở ngại chính trong việc sử dụng rộng rãi những thiết bị sản xuất hydro xanh này do sự khan hiếm và sản lượng cung cấp thấp của những kim loại quý, thực tế này khiến giá thành của hydro rất cao, không phù hợp với các mô hình sản xuất công nghiệp quy mô lớn.
Để tăng cường tính khả thi về kinh tế của các thiết bị điện phân nước, nhóm nghiên cứu tại KIST thay thế những kim loại hiếm này bằng sắt nitrit (Fe2N) rẻ tiền. Các nhà khoa học Hàn Quốc sử dụng một quy trình tổng hợp để phủ đều lên điện cực oxit sắt có độ dẫn điện thấp, sau đó sử dụng phản ứng hóa học để chuyển đổi thành sắt nitrit nhằm tăng độ dẫn điện. Trên bề mặt lớp sắt nitride này, một chất xúc tác iridi dày khoảng 25 nanomet được phủ đều, cho phép giảm lượng chất xúc tác iridi cần thiết xuống dưới 0,1 mg/cm2.
Điện cực được phát triển đã thay thế các kim loại quý hiếm là vàng hoặc bạch kim, được sử dụng làm lớp bảo vệ, duy trì hiệu suất tương đương với những thiết bị điện phân thương mại hiện có và giảm lượng chất xúc tác iridi xuống chỉ còn 10% so với mức đang sử dụng. Nhóm nghiên cứu đã chạy thiết bị điện phân với các thành phần mới này trong hơn 100 giờ, cho thấy tính ổn định ban đầu của điện cực mới trong hoạt động thực tế.
TS Hyun S. Park của KIST cho biết: "Trong điện phân công nghiệp, nhu cầu giảm lượng chất xúc tác iridi và phát triển những vật liệu thay thế cho lớp bảo vệ bạch kim là điều cần thiết trong tiến trình thúc đẩy sử dụng rộng rãi và kinh tế những thiết bị sản xuất hydro xanh màng điện phân polymer, sáng kiến sử dụng sắt nitrit rẻ tiền thay cho bạch kim có ý nghĩa kinh tế vô cùng lớn. Hiện nay chúng tôi đang quan sát và theo dõi hiệu suất và độ bền của điện cực. Trong tương lai, nhóm nghiên cứu sẽ tối ưu hóa kỹ thuật để áp dụng cho những thiết bị thương mại".
Link gốc