Công nghệ tách nước mới hỗ trợ phát triển nguồn năng lượng sạch từ hydro

Hydro là loại năng lượng sạch đang được ưa chuộng nhằm thay thế các loại năng lượng hóa thạch truyền thống. Đốt hydro hông chỉ sản sinh rất nhiều năng lượng mà còn tạo ra lượng lớn sản phẩm phụ là nước tinh khiết.

Hydrogen được coi là một nguồn năng lượng thay thế lý tưởng, cũng bởi sản phẩm phụ của nó là nước. Ảnh: Pexels.

Vì rất khó để lấy được đủ số lượng hydro tinh khiết cho việc đốt, các nhà khoa học đã nghiên cứu chuỗi phản ứng tiến hóa của hydro, hay HERs (hydrogen evolution reactions). Đây là một loại công nghệ tách nước, trong đó các điện cực được bọc bởi các chất xúc tác được thả vào nước rồi nạp điện. Sự tương tác giữa điện, chất xúc tác và nước tạo ra khí hydro và oxy sạch.

Thay vì bọc điện cực bằng các kim loại quý hiếm và đắt đỏ (vd: bạch kim) như hiện nay, Xinjian Shi, sinh viên tốt nghiệp ĐH Stanford đã tìm ra giải pháp ít tốn kém hơn. Các sulfit kim loại tổng hợp, với nguồn cung dồi dào và giá thành thấp, sẽ trở thành các điện cực phục vụ phản ứng tiến hóa hydro. Quy trình này được miêu tả trong nghiên cứu trên tạp chí Energy and Environmental Science.

Cùng với giáo sư hướng dẫn Xiaolin Zheng, Shi khởi đầu với ý tưởng quen thuộc với các nhà khoa học rằng hiệu suất của các cực điện sulfit sẽ được cải thiện nếu “truyền” cho kim loại các phân tử cô-ban. Tuy nhiên, điểm đột phá trong phương pháp của Shi lại nằm ở hai bước như sau. Thứ nhất, hai người tìm cách kiểm soát chính xác lượng cô-ban được truyền vào trong điện cực. Thứ hai, thay vì chỉ truyền mặt ngoài của miếng kim loại như các thí nghiệm trước đó, họ đã cho truyền toàn bộ cực điện với cô-ban.

Zheng và Shi đốt lửa nhằm oxi hóa một sợi kim loại vonfram, biến nó thành dạng khí. Sau đó, khí sẽ được làm lạnh, khiến hơi gas cô lại thành các ống nanotube chứa vonfram oxide. Một kĩ thuật đốt thứ hai sẽ được dùng để truyền phân tử cô-ban vào các ống nanotube. Cuối cùng, các nanotube sẽ được nung với lưu huỳnh trong lò nung và tạo ra kim loại vonfram di-sun-fit với cô-ban ở toàn bộ mặt ngoài.

Với quy trình này, các nhà khoa học có thể điều chỉnh mật độ cô-ban trong điện cực ở mức vừa phải – tối đa là 15% và xác lập kỉ lục mới về điện cực HER gốc kim loại sulfit. Tuy nhiên, hiệu suất của loại cực điện vonfram disulfit vẫn còn kém xa so với bạch kim. Các nhà nghiên cứu đang lên kế hoạch áp dụng quy trình tương tự lên các sulfit khác nhằm tìm ra loại có hiệu suất gần với bạch kim nhất, trong đó có molybdenum disulfide, rẻ hơn bạch kim hàng chục lần.