Khám phá chất xúc tác mới, rẻ hơn, mạnh hơn cho năng lượng hydro sạch

Tìm kiếm các giải pháp thay thế Iridi

Trong nhiều năm qua, các nhà khoa học trên toàn cầu đã nỗ lực tìm kiếm giải pháp thay thế Iridi, một kim loại quý và cực kỳ đắt đỏ, đóng vai trò quan trọng trong việc sản xuất nhiên liệu hydro sạch.

Gần đây, các nhà nghiên cứu đã thành công trong việc tìm ra chất thay thế bằng cách sửa dụng một công cụ có tính đột phá. Được phát triển tại Đại học Northwestern, công cụ này được gọi là “siêu thư viện - megalibrary”. Nó được mô tả như là "nhà máy dữ liệu" về vật liệu nano đầu tiên trên thế giới, một megalibrary đơn chứa hàng triệu hạt nano được thiết kế một cách cẩn thận và được sắp xếp trên một con chip có kích thước không lớn hơn đầu ngón tay.

Hợp tác với Viện Nghiên cứu Toyota (TRI), nhóm các nhà nghiên cứu Đại học Northwestern đã sử dụng nền tảng này để xác định các chất xúc tác tiềm năng cho việc sản xuất hydro. Sau khi tìm được một chất xúc tác phù hợp, họ đã mở rộng quy mô và chứng minh rằng vật liệu này có thể hoạt động bên trong một thiết bị thực tế, tất cả chỉ diễn ra trong một thời gian ngắn đáng kinh ngạc.

Một siêu thư viện để khám phá các vật liệu

Siêu thư viện này cho phép các nhà khoa học thử nghiệm vô số tổ hợp của các kim loại dồi dào, giá rẻ và cũng đã được biết đến với các đặc tính xúc tác của chúng. Từ nỗ lực sàng lọc quy mô lớn, các nhà nghiên cứu đã phát hiện ra một vật liệu hoàn toàn mới. Trong các thử nghiệm ở phòng thí nghiệm, nó vượt trội hơn các chất xúc tác có gốc iridi trên thị trường, trong khi giá thành lại rất rẻ.

Điều này mang lại ý nghĩa lớn trong việc giảm giá tạo ra hydro sạch và cũng làm nổi bật tiềm năng của phương pháp tiếp cận siêu thư viện, từ đó có thể cách mạng hóa cách thức phát hiện vật liệu mới trên nhiều lĩnh vực. 

Nghiên cứu được công bố vào ngày 19 tháng 8 trên Tạp chí của Hiệp hội Hóa học Hoa Kỳ (JACS).

Một cách mới để tìm ra các vật liệu tốt nhất

Chad A. Mirkin thuộc trường Đại học Northwestern, tác giả chính của nghiên cứu cho biết, “Chúng tôi đã cho ra công cụ tổng hợp được cho là mạnh nhất thế giới, cho phép tìm kiếm một số lượng lớn các kết hợp có sẵn để tìm ra những vật liệu quan trọng. Trong dự án này, chúng tôi đã hướng khả năng đó vào một vấn đề lớn mà ngành năng lượng đang phải đối mặt. Đó là: Làm thế nào để tìm ra một vật liệu tốt như iridi nhưng lại dồi dào hơn, sẵn có hơn và rẻ hơn rất nhiều? Công cụ mới này cho phép chúng tôi tìm ra một giải pháp thay thế đầy hứa hẹn và nhanh chóng.”

Vấn đề Iridi của Hydro sạch 

Khi thế giới đang dần từ bỏ nhiên liệu hóa thạch và hướng tới quá trình khử cacbon thì hydro sạch có giá cả phải chăng đã nổi lên như một mảnh ghép quan trọng của bài toán. Để sản xuất năng lượng hydro sạch, các nhà khoa học đã chuyển sang phương pháp phân tách nước, một quá trình sử dụng điện để phân tách các phân tử nước thành hai thành phần cấu thành - hydro và oxy. Tuy nhiên, phản ứng giải phóng oxy (OER) có hiệu quả nhất khi các nhà khoa học sử dụng chất xúc tác gốc iridi, vốn có cũng nhiều nhược điểm vì Iridi rất hiếm, đắt tiền và thường được thu thập dưới dạng sản phẩm phụ từ quá trình khai thác bạch kim. 

“Iridi trên thế giới không đủ để đáp ứng tất cả các nhu cầu sử dụng. Do vậy khi chúng ta nghĩ đến việc phân tách nước để tạo ra các dạng năng lượng thay thế, thì lại không có đủ iridi khi xét về mặt cung cấp thuần túy”, Sargent thành viên nhóm nghiên cứu cho biết. 

Một đội quân hạt nano trên một con chip

Mirkin, người đã giới thiệu các siêu thư viện vào năm 2016, đã quyết định cùng với Sargent tìm kiếm các vật liệu mới để thay thế iridi. Trong khi việc khám phá vật liệu theo truyền thống là một nhiệm vụ chậm chạp và khó khăn với đầy rẫy những thử nghiệm sai sót, thì các siêu thư viện cho phép các nhà khoa học xác định chính xác các thành phần tối ưu với tốc độ nhanh chóng.

Mỗi siêu thư viện được tạo ra với các mảng gồm hàng trăm nghìn đầu kim tự tháp nhỏ xíu để in các "chấm" riêng lẻ lên bề mặt. Mỗi chấm chứa một hỗn hợp muối kim loại được thiết kế có chủ đích. Khi được nung nóng, các muối kim loại được phân tách thành các hạt nano đơn lẻ, mỗi hạt có thành phần và kích thước chính xác.
Mirkin cho biết, “Bạn có thể hình dung mỗi đầu kim tự tháp như một người tí hon trong một phòng thí nghiệm nhỏ bé. Thay vì để một người tí hon tạo ra từng cấu trúc một, bạn có hàng triệu người. Vì vậy về cơ bản, bạn có cả một đội quân nghiên cứu được triển khai trên một con chip."

Chất xúc tác chiến thắng xuất hiện

Trong nghiên cứu, con chip chứa 156 triệu hạt phân tử, mỗi hạt được tạo thành từ các tổ hợp khác nhau của ruteni, coban, mangan và crôm. Sau đó, một máy quét robot đã đánh giá mức độ hiệu quả của các hạt phân tử tiềm năng nhất trong phản ứng OER. Dựa trên các thử nghiệm này, Mirkin và nhóm của ông đã chọn ra những ứng cử viên có hiệu suất tốt nhất để tiến hành thử nghiệm sâu hơn trong phòng thí nghiệm.

Cuối cùng, một thành phần nổi bật xuất hiện: sự kết hợp chính xác của cả bốn kim loại (oxit Ru52Co33Mn9Cr6). Các chất xúc tác đa kim loại được biết là tạo ra các hiệu ứng hiệp lực có thể khiến chúng hoạt động mạnh hơn chất xúc tác kim loại đơn.

Mirkin cho hay, “Chất xúc tác của chúng tôi thực sự có hoạt tính cao hơn một chút so với iridi và có độ ổn định tuyệt vời. Điều này hiếm khi xảy ra vì ruteni thường kém ổn định hơn. Nhưng các nguyên tố khác trong thành phần lại giúp ổn định ruteni.”

Chứng minh tính ổn định và lợi ích về chi phí

Khả năng sàng lọc các hạt phân tử có hiệu suất tối ưu là một cải tiến mới quan trọng. "Lần đầu tiên, chúng tôi không chỉ có thể sàng lọc nhanh chóng các chất xúc tác mà còn thấy những chất xúc tác tốt nhất hoạt động tốt trong môi trường quy mô lớn", Joseph Montoya, nhà khoa học nghiên cứu cấp cao tại TRI và là đồng tác giả nghiên cứu, cho biết.

Trong các thử nghiệm dài hạn, chất xúc tác mới đã hoạt động trong hơn 1.000 giờ với hiệu suất cao và độ ổn định tuyệt vời trong môi trường axit khắc nghiệt. Nó cũng rẻ hơn đáng kể so với iridi - chỉ bằng khoảng một phần mười sáu chi phí. "Vẫn còn rất nhiều việc phải làm để biến điều này thành hiện thực về mặt thương mại, nhưng thật thú vị khi chúng tôi có thể xác định các chất xúc tác đầy hứa hẹn một cách nhanh chóng như vậy - không chỉ ở quy mô phòng thí nghiệm mà còn cho các thiết bị", Montoya cho biết.

Vượt ra ngoài Hydro: Bức tranh to lớn hơn

Bằng cách tạo ra các tập dữ liệu vật liệu chất lượng cao khổng lồ, phương pháp tiếp cận siêu thư viện cũng đặt nền móng cho việc sử dụng trí tuệ nhân tạo (AI) và học máy để thiết kế thế hệ vật liệu mới tiếp theo. Mirkin cho biết, đây mới chỉ là bước khởi đầu. Với AI, phương pháp này có thể mở rộng ra ngoài phạm vi chất xúc tác để cách mạng hóa việc khám phá vật liệu cho hầu hết mọi công nghệ, chẳng hạn như pin, thiết bị y sinh và các thành phần quang học tiên tiến...

Nguồn tin: https://scitechdaily.com/scientists-discover-a-cheaper-more-powerful-catalyst-for-clean-hydrogen-energy/