Điện cực tự phục hồi kéo giảm chi phí sản xuất hydro xanh

Các nhà khoa học Hàn Quốc đã phát triển một chiến lược hoạt động điện phân nước mới có thể sản xuất hydro xanh mà không cần quy trình sản xuất chất xúc tác phức tạp.

Công nghệ điện phân nước, sản xuất hydro xanh bằng điện, là một trong những công nghệ cốt lõi để đạt được mục tiêu trung hòa carbon và được chỉ định là 1 trong 12 công nghệ chiến lược quốc gia của Hàn Quốc. Mặc dù điện phân đang được chú ý như một phương pháp cốt lõi để sản xuất hydro thân thiện với môi trường, nhưng các hệ thống hiện tại đòi hỏi phải tổng hợp chính xác các lớp xúc tác có hoạt tính cao và áp dụng lên bề mặt điện cực. Các lớp xúc tác này dần bị phân hủy theo thời gian, gây ra những hạn chế về mặt cấu trúc. Để giải quyết vấn đề này, nhóm nghiên cứu ở Đại học Quốc gia Seoul và Đại học Konkuk (GS. Jeyong Yoon, GS. Jaeyune Ryu, GS. Jang Yong Lee) đã phát triển một phương pháp "Hoạt động kích hoạt điện hóa (EA)" mới. Phương pháp này cho phép sản xuất hydro hiệu quả cao và lâu dài chỉ bằng cách sử dụng các điện cực niken (Ni) thương mại - loại bỏ nhu cầu về các lớp xúc tác đắt tiền, được thiết kế chính xác.

Nhóm nghiên cứu đã áp dụng phương pháp hoạt động EA do chính họ phát triển cho các điện cực Ni thương mại mà không cần bất kỳ lớp phủ xúc tác nào. Kết quả là, họ đạt được hiệu quả điện phân nước tương đương với chất xúc tác Ni-Fe oxyhydroxide (NiFeOOH) hiệu suất cao, được biết đến với sự xuất sắc trong phản ứng giải phóng oxy (OER)—bước xác định tốc độ của quá trình điện phân nước. Kỹ thuật cốt lõi nằm ở một phương pháp gọi là kiểm soát phân cực động, theo định kỳ, điện cực sẽ được "nghỉ ngơi" trong thời gian ngắn. Bằng cách áp dụng điện áp khử yếu vào điện cực Ni trong thời gian ngắn, lượng vết Fe hòa tan trong chất điện phân KOH được tạo ra để gắn lại vào bề mặt điện cực. Sau đó, Fe được gắn lại này liên kết với Ni để tự động tạo thành lớp xúc tác giải phóng oxy có hoạt tính cao trên điện cực. Qua các chu kỳ lặp lại, điện cực duy trì hoạt động và trở thành hệ thống tự phục hồi.

Một ô điện phân nước sử dụng phương pháp vận hành này đã hoạt động ổn định trong hơn 1.000 giờ ở mật độ dòng điện cao 1 A/cm². Hơn nữa, hệ thống đã chứng minh được độ bền vượt trội trong cấu hình mở rộng: một ô điện phân nước ba ngăn xếp với diện tích 25 cm² trên mỗi ô cũng đã hoạt động trong vài trăm giờ. Kết quả này xác minh độ tin cậy của công nghệ không chỉ ở quy mô phòng thí nghiệm mà còn trong các điều kiện thực tế liên quan đến hoạt động mở rộng và hệ thống diện tích lớn. Phương pháp hoạt động EA chứng minh tiềm năng cải thiện đáng kể tính khả thi về mặt kinh tế của sản xuất hydro xanh bằng cách thay thế các chất xúc tác kim loại quý đắt tiền và đơn giản hóa quy trình tạo ra hydro. Phương pháp này đạt được cả hiệu quả cao và tính ổn định lâu dài mà không cần vật liệu đắt tiền hoặc quy trình sản xuất phức tạp. Nhờ đó, phương pháp hoạt động EA sẽ không chỉ giúp giảm chi phí thực tế cho sản xuất hydro mà còn thể hiện khả năng tái tạo và khả năng mở rộng mạnh mẽ, khiến nó trở nên rất hứa hẹn để mở rộng sang các hệ thống quy mô lớn và triển khai thương mại.

Theo đó, công nghệ này được kỳ vọng sẽ nâng cao khả năng cạnh tranh của các quy trình sản xuất hydro của Hàn Quốc thông qua chuyển giao công nghệ trong tương lai và ứng dụng công nghiệp. Nó cũng được kỳ vọng sẽ đóng vai trò là công nghệ nền tảng hỗ trợ Hàn Quốc hiện thực hóa mục tiêu trung hòa carbon và chuyển đổi sang nền kinh tế dựa trên hydro.

Nguồn: Theo Techxplore.com