Một nhóm nghiên cứu từ Đại học nông nghiệp Trung Quốc và Đại học công nghệ Nanyang cho biết, họ đã phát triển một chất xúc tác coban oxyhydroxide được pha đồng, có khả năng chuyển hóa đường sinh khối thành sản phẩm có giá trị gia tăng, đồng thời tạo ra hydro cực nhanh khi được cung cấp năng lượng bởi thiết bị quang điện ba lớp InGaP/GaAs/Ge.
Công trình được giới thiệu trên tạp chí eScience, trình bày một cơ chế oxy hóa theo tầng được dẫn dắt bởi chất xúc tác, giúp giảm đáng kể năng lượng tiêu thụ. Từ đó, mở ra cơ hội mới cho việc tích hợp sản xuất hydro bằng năng lượng mặt trời với việc tạo ra sinh khối bền vững.
Các nhà nghiên cứu bắt đầu bằng cách so sánh các oxyhydroxide kim loại dồi dào trong tự nhiên và xác định CoOOH là điểm khởi đầu đầy hứa hẹn cho quá trình oxy hóa glucose. Sau đó, họ lần lượt đưa vào các chất pha tạp khác nhau và phát hiện việc thêm chỉ 5 mol% đồng đã biến CoOOH thành chất xúc tác điện hóa chọn lọc và hiệu quả hơn nhiều.
Với sự biến đổi này, hiệu suất tạo sản phẩm tăng từ 50% lên 80%, và điện thế khởi đầu cho quá trình oxy hóa glucose giảm khoảng 400 mV, cho phép điện phân đồng thời đạt hiệu quả năng lượng cao trong điều kiện kiềm.
Một loạt kỹ thuật phân tích đặc tính tiên tiến, bao gồm quang phổ điện tử tia X, quang phổ Raman, kính hiển vi điện tử và phân tích trở kháng tại chỗ, đã cho thấy cách đồng định hình lại cấu trúc điện tử của bề mặt chất xúc tác.
Đồng ổn định các vị trí Co³⁺ phản ứng trong khi ngăn chặn các Co⁴⁺ quá mạnh thường dẫn đến sự phân cắt liên kết không chọn lọc. Các tính toán DFT bổ sung cho thấy, việc pha tạp đồng làm giảm sự hấp phụ glucose theo kiểu bên và ngăn các con đường phân cắt β tạo ra các sản phẩm phụ.
Khi kết hợp với cực âm Ni₄Mo dồi dào trong tự nhiên, hệ thống này tạo ra hydro tinh khiết trong tế bào không màng với hiệu suất Faradaic gần 100%. Dưới ánh sáng mặt trời tập trung, thiết bị đạt tốc độ tạo hydro là 519,5 ± 0,4 μmol h⁻¹ cm⁻², giữ hiệu suất ổn định trong suốt 24 giờ hoạt động.
Một trong những nhà nghiên cứu cấp cao của nghiên cứu này lưu ý, phát hiện này cho thấy cách thiết kế chất xúc tác có thể định hình lại cả hiệu quả và tính kinh tế của việc sản xuất hydro bằng năng lượng mặt trời. Bằng cách điều phối quá trình oxy hóa glucose thông qua con đường phân cắt α có tính chọn lọc cao, chất xúc tác không chỉ giảm điện năng điện cần thiết mà còn nâng cấp sinh khối thành nguyên liệu có giá trị.
Hệ thống chức năng kép này, thể hiện một bước chuyển biến quan trọng hướng tới các công nghệ hydro tái tạo có thể tích hợp và tiết kiệm chi phí hơn, chứng minh rằng hóa học bền vững và sản xuất năng lượng sạch có thể hỗ trợ lẫn nhau, theo nhóm nghiên cứu.
Chiến lược điện phân kết hợp này cung cấp một lộ trình có thể mở rộng và cạnh tranh về kinh tế để sản xuất hydro xanh, bằng cách kết hợp hoạt động tiết kiệm năng lượng với việc bán hydro như một sản phẩm phụ. Mô hình kinh tế cho thấy cách tiếp cận này có thể làm giảm chi phí sản xuất hydro ở mức cạnh tranh hoặc thấp hơn so với hydro sản xuất từ nhiên liệu hóa thạch.
Thiết kế không màng cũng đơn giản hóa cấu trúc hệ thống và giảm chi phí đầu tư, giúp triển khai công nghiệp khả thi hơn. Quan trọng hơn, chất xúc tác hoạt động tốt trên cả các sản phẩm thủy phân từ chất thải nông nghiệp, cho thấy khả năng tương thích với các nguồn sinh khối thực tế và tiềm năng hỗ trợ sản xuất hydro phân tán trong hệ thống kinh tế sinh học tuần hoàn ở tương lai.
