VINACHEM

Quá trình điện phân nước thành hydo và oxy để sản xuất năng lượng sạch có thể được đơn giản hóa nhờ một chất xúc tác do các nhà khoa học tại ĐHTH Rice và ĐHTH Houston (Mỹ) phát triển.

Màng điện phân do các nhà khoa học nói trên tạo ra là một cấu trúc ba lớp gồm có niken, graphen và một hợp chất với các thành phần sắt, mangan và phốtpho. Niken dạng bọt xốp tạo cho màng điện phân một diện tích bề mặt lớn, trong khi đó praphen dẫn điện sẽ bảo vệ niken chống thoái hóa, còn hợp chất phốtphua kim loại thực hiện phản ứng.

Các nhà hóa học đã phát triển lớp màng nói trên với mục đích vượt qua những trở ngại khiến cho những chất xúc tác thông thường chỉ thích hợp để sản xuất oxy hoặc hydro nhưng không thích hợp cho việc sản xuất đồng thời cả hai khí này.

Trong các điều kiện bình thường, phản ứng giải phóng hydro được thực hiện trong môi trường axit, còn phản ứng giải phóng oxy được thực hiện trong môi trường kiềm. Các nhà khoa học đã tạo ra một vật liệu xúc tác bền cả trong môi trường axit và kiềm.

Phát hiện này dựa trên một chất xúc tác đơn giản cho phản ứng giải phóng oxy mà các nhà khoa học tại ĐHTH Rice tìm ra đầu năm 2017. Trong công trình nghiên cứu đó, họ đã tạo ra chất xúc tác trực tiếp trên một chuỗi thanh nano bán dẫn, có khả năng chuyển đổi ánh sáng Mặt Trời thành năng lượng để phân tách nước.

Quá trình xúc tác trong phản ứng điện phân thường đòi hỏi phải có hai chất xúc tác, một ở catôt và một ở anôt. Khi các điện cực này được đặt vào nước và nạp điện, hydro sẽ thoát ra ở một điện cực, còn oxy sẽ thoát ra ở điện cực kia và những khí này được thu gom lại. Tuy nhiên, quá trình điện phân đó thường đòi hỏi phải sử dụng những kim loại đắt tiền để có thể hoạt động cũng hiệu quả như chất xúc tác mà các nhà khoa học tại ĐHTH Rice tạo ra.

Hiện nay, chất xúc tác tiêu chuẩn cho phản ứng giải phóng hydro là những kim loại quý như platin. Trong khi đó, các nhà khoa học ĐHTH Rice sử dụng những vật liệu có sẵn trên Trái Đất như sắt, mangan và phốtpho, rẻ hơn nhiều so với các kim loại quý.

Chất xúc tác mới cũng đòi hỏi ít năng lượng hơn. Khi điện phân nước để sản xuất hydro và oxy, người ta phải sử dụng điện năng, nếu năng lượng tiêu thụ càng lớn thì quá trình càng ít khả thi về mặt thương mại, vì vậy giảm năng lượng tiêu thụ xuống mức tối thiểu là một trong những yêu cầu quan trọng nhất của quá trình này. Đây chính là ưu điểm cạnh tranh của vật liệu xúc tác mới: Quá trình điện phân khi sử dụng chất xúc tác này có quá thế nhỏ, tương đương như khi sử dụng các xúc tác đắt tiền.

Trong chất xúc tác mới, lớp graphen là yếu tố then chốt để bảo vệ vật liệu niken nằm dưới. Một cho đến ba lớp graphen được tạo ra trên lớp bọt xốp niken nhờ quá trình kết lắng hơi hóa chất trong lò, sau đó hợp chất sắt, mangan và phốtpho được bổ sung lên trên.

Theo các nhà nghiên cứu, vật liệu xúc tác nói trên có thể được sản xuất ở quy mô lớn và có thể được ứng dụng trong các lĩnh vực sản xuất oxy và hydro. Các thiết bị sản xuất điện bằng năng lượng Mặt Trời hay năng lượng gió cũng có thể sử dụng chất xúc tác mới để tận dụng điện năng thừa ngoài giờ cao điểm bằng cách sản xuất oxy và hydro.

Hơn nữa, phương pháp chế tạo xúc tác như trên có thể được áp dụng để sản xuất các chất xúc tác bằng vật liệu phốtphua kim loại, không chỉ cho các quá trình phân tách nước mà còn cho nhiều quá trình hóa học khác.

HV

Theo Chemical & Engineering News, 8/2017