VINACHEM

Khí hydro sản xuất bằng cách điện phân nước có thể trở thành nguồn nhiên liệu tái sinh quan trọng trong tương lai. Nhưng đối với những quốc đảo nhỏ như Singapo, nước ngọt cũng là nguồn tài nguyên quý. Vì vậy, các nhà nghiên cứu tại Đại học Công nghệ Nanyang đã quay sang tìm cách sử dụng nước biển cho mục đích này. Họ đã phát triển một chất xúc tác giúp điện phân nước biển với hiệu suất cao kỷ lục, bằng cách đó có thể sản xuất oxy và hydro cho các pin nhiên liệu.

Hệ thống điện phân của các nhà khoa học Singapo sử dụng năng lượng điện Mặt Trời, tạo ra hydro từ ánh nắng Mặt Trời với hiệu suất chung là 17,9%. Đây là hiệu suất cao nhất đã đạt được từ trước đến nay trong các quy trình điện phân nước biển trên thế giới.

Có thể nói, đại dương là nguồn lưu trữ hydro vô tận, nhưng việc giải phóng khí hydro từ nước biển bằng phương pháp điện phân là một thách thức lớn. Trong các thiết bị điện phân, dòng điện được sử dụng để tách nước muối cũng chuyển hóa các ion clorua thành khí clo không mong muốn, trong khi đó các ion khác như canxi và magiê tạo thành các kết tủa không tan, bịt kín chất xúc tác quan trọng trên điện cực. Đồng thời, phản ứng điện phân gây ra sự thay đổi độ pH, làm ăn mòn điện cực.

Nhóm nghiên cứu tại Đại học công nghệ Nanyang trước đây đã phát triển chất xúc tác sulphua niken molybđen, cho phép giảm điện áp cần thiết để tạo ra khí hydro ở catôt trong quá trình điện phân. Chất xúc tác mới của họ sử dụng trên một nguyên tố có sẵn trên Trái Đất, nó hỗ trợ oxy hóa nước biển ở anôt, tạo ra khí oxy và hydro.

Để chế tạo anôt, các nhà nghiên cứu đã phát triển các vi kim cobalt cacbonat cỡ nano trên nền vải sợi cacbon. Sau đó, họ nhúng vải này trong 2-metyllimidazole, tạo thành một lớp mỏng khung hữu cơ kim loại cobalt-imidazol ở bên ngoài các vi kim. Khi bổ sung feroxyanua natri, lớp mỏng đó được chuyển hóa thành cobalt hexaxyanoferat với cấu trúc nano xốp của khung hữu cơ kim loại và tạo thành lớp vỏ xúc tác dày 20 nm xung quanh các vi kim dẫn điện.

Sử dụng một pin năng lượng Mặt Trời để cung cấp điện, các nhà nghiên cứu đã thử nghiệm hệ thống nói trên với nước biển của địa phương, họ không bổ sung gì thêm ngoài chất đệm phốtphat để duy trì pH trung tính. Sau 100 giờ vận hành liên tục, thiết bị điện phân đã sản xuất hydro và oxy, nhưng hoàn toàn không tạo ra clo. Hơn nữa, điện cực và chất xúc tác của nó vẫn nguyên vẹn, trong khi đó sản lượng chỉ giảm khoảng 10% sau thời gian vận hành như vậy. Trái lại, các thiết bị điện phân sử dụng chất xúc tác truyền thống là platin và oxit iridi để tách nước biển sẽ mất hoạt tính nhanh hơn nhiều, đồng thời còn tạo ra khí clo.

Theo một nhà nghiên cứu về xúc tác điện phân tại Đại học Trninity (Dublin, Anh), việc tạo ra oxy một cách chọn lọc mà không tạo ra clo như ở phương pháp trên là một kết quả có ý nghĩa rất quan trọng.

Tuy nhiên, một nhà nghiên cứu khác tại Đại học kỹ thuật Berlin (Đức) chỉ ra rằng, hệ thống nói trên có mật độ dòng rất thấp. Nếu muốn sản xuất hydro ở những lượng hữu ích thì hệ thống điện phân phải có mật độ dòng cao hơn nhiều, nhưng như vậy sẽ lại khởi phát quá trình sinh khí clo hoặc các phản ứng phụ không mong muốn khác.

Các nhà khoa học Singapo cho biết, những thử nghiệm ban đầu của họ với mật độ dòng cao đã hoàn toàn không sinh ra khí clo. Nhưng họ cũng cho rằng sẽ cần phải cải thiện hệ thống điện phân như trên để tạo ra thiết bị sản xuất hydro.

HV

Theo Chemical & Engineering News, 5/2018