Các nhà nghiên cứu tại Đại học Birmingham vừa phát triển một phương pháp mới sản xuất hydro ở nhiệt độ thấp hơn, bằng cách sử dụng chất xúc tác perovskite. Nhóm nghiên cứu chứng minh rằng, quá trình phân tách nước bằng nhiệt hóa có thể xảy ra ở nhiệt độ từ 150°C-500°C.

Phân tách bằng nhiệt hóa, trong đó chất xúc tác phân tách nước thành hydro và oxy, đang nổi lên là cách thức tiềm năng để sản xuất hydro. Tuy nhiên, các chất xúc tác hiện nay phân tách nước ở nhiệt độ 700-1.000°C và cần nhiệt độ từ 1.300-1.500°C để tái tạo giữa các chu kỳ phân tách nước.

Các nhà khoa học chứng minh có thể giảm nhiệt độ xuống 500°C, bằng cách sử dụng chất xúc tác perovskite. Theo nghiên cứu được công bố trên tạp chí Năng lượng hydro quốc tế, chất xúc tác này có thể tạo ra lượng hydro đáng kể ở nhiệt độ từ 150-500°C và có thể tái tạo ở nhiệt độ từ 700-1.000°C.

Vật liệu perovskite có cấu trúc mạng tinh thể, có khả năng hấp thụ và phân tách các phân tử chứa oxy thành các thành phần cấu tạo. Các nhà nghiên cứu tìm ra một công thức perovskite tối ưu là BNCF100, gồm barium, niobium, calcium và sắt. Các vật liệu này có sẵn, không độc hại, không yêu cầu quá trình tổng hợp phức tạp.

Nghiên cứu chứng minh perovskite BNCF có thể hấp thụ oxy vào cấu trúc của chúng ở nhiệt độ thấp hơn đáng kể so với những gì người ta nghĩ trước đây. Chất xúc tác này cũng có thể được tái tạo ở nhiệt độ thấp hơn so với các chất xúc tác phân tách nước hiện tại, vẫn giữ khả năng sản xuất hydro trong hơn 10 chu kỳ sản xuất.

Hydro được xem là nhiên liệu sạch, thay thế cho nhiên liệu hóa thạch trong các lĩnh vực như sản xuất công nghiệp, phương tiện vận tải nặng, nơi hệ thống pin khó phù hợp do trọng lượng, phạm vi hoạt động. Khi đốt cháy, hydro chỉ tạo ra nhiệt và nước, không phát thải CO₂ tại điểm sử dụng.

Hydro là nguyên tố dồi dào nhất trong vũ trụ nhưng lại tương đối hiếm trên Trái đất ở dạng hydro tinh khiết. Hydro chủ yếu được tìm thấy liên kết trong các phân tử khác, phổ biến nhất là nước và hydrocarbon. Để sử dụng hydro làm nhiên liệu, các phân tử này phải được tách thành các thành phần cấu tạo của chúng.

Mặc dù hydro không tạo ra khí thải CO₂ tại điểm sử dụng, nhưng khoảng 95% sản lượng hydro hiện nay vẫn dựa vào nhiên liệu hóa thạch trong quá trình sản xuất. Phương pháp sản xuất hydro phổ biến nhất là phân tách khí metan. Phương pháp này chiếm gần một nửa nguồn cung toàn cầu, nhưng lại tạo ra khí CO₂ như một sản phẩm phụ.

Điện phân là phương pháp sản xuất hydro sạch hơn, thân thiện hơn với môi trường, nhưng khó cạnh tranh với hydro rẻ hơn được sản xuất bằng cách phân tách khí metan. Do đó, phương pháp này hiện chỉ cung cấp khoảng 4% nguồn cung hydro vì chi phí đắt hơn.

Các phương pháp quang học sử dụng ánh sáng để thúc đẩy quá trình chuyển hóa hóa học của nước thành hydro, nhưng cách này vẫn còn ở giai đoạn ban đầu và phải đối mặt với các thách thức đáng kể về hiệu quả, khả năng mở rộng và chi phí.

Phân tích sơ bộ về chi phí cho thấy, việc tách nước bằng chất xúc tác perovskite để tạo ra hydro ít tốn kém hơn so với sản xuất hydro xanh lá (bằng cách điện phân) hay hydro xanh lam (bằng cách phân tách từ khí metan). Lợi thế về chi phí thể hiện rõ nhất ở các khu vực có mức giá năng lượng tái tạo thấp.

Nghiên cứu này được thực hiện với sự hợp tác của Đại học khoa học và công nghệ Bắc Kinh và đang được Đại học Birmingham thương mại hóa tại Anh và châu Âu. Trung tâm nghiên cứu và phát triển của Đại học Birmingham đã nộp đơn xin cấp bằng sáng chế về việc sử dụng chất xúc tác BNCF để phân tách nước ở nhiệt độ thấp.