Khi thế giới đang nỗ lực để áp dụng các giải pháp năng lượng sạch, hydro nổi lên như một giải pháp hàng đầu cho việc khử carbon mọi thứ, từ ngành công nghiệp nặng đến vận tải đường dài.
Trong số các phương pháp sản xuất khác nhau, điện phân nước màng trao đổi proton (PEMWE) nổi bật vì tạo ra hydro có độ tinh khiết cao chỉ bằng nước và điện. Tuy nhiên, PEMWE phải đối mặt với vấn đề tốn kém do phụ thuộc vào các kim loại quý hiếm, đắt tiền như bạch kim và iridium.
Một nhóm nhà nghiên cứu từ Viện khoa học và công nghệ tiên tiến Hàn Quốc (KAIST), Viện nghiên cứu năng lượng Hàn Quốc (KIER), phát triển phương pháp mới mang lại hiệu suất cao mà không cần lớp phủ bạch kim. Kết quả của họ có thể giúp giảm đáng kể chi phí sản xuất và đẩy nhanh quá trình sử dụng hydro trên thế giới.
PEMWE sử dụng iridium oxide (IrOx) làm chất xúc tác để thúc đẩy phản ứng giải phóng oxy. Mặc dù IrOx có hoạt tính cao, nhưng nó không hoạt động hết công suất nếu không có bạch kim, thành phần bổ sung tốn kém. Đây là điểm yếu tiềm ẩn của hệ thống PEMWE.
Nhóm nghiên cứu phát hiện việc vận chuyển electron kém là do các vấn đề về cấu trúc bên trong giao diện điện cực. Họ xác định được vấn đề chính, được gọi là hiệu ứng “kẹp chặt”. Hiệu ứng này xảy ra khi chất xúc tác IrOx, ionomer (chất điện phân rắn) và chất nền titan gặp nhau.
Mặc dù ionomer rất cần thiết cho việc dẫn ion, nhưng nó hoạt động như một chất cách điện xung quanh các hạt xúc tác nhỏ. Khi ionomer chạm vào chất nền titan, một rào cản hình thành trên lớp oxit, làm giảm độ dẫn điện.
Để khắc phục điều này, các nhà nghiên cứu thay đổi một biến số: kích thước hạt xúc tác. Họ chế tạo chất xúc tác IrOx có đường kính khác nhau và đánh giá chúng bằng cách sử dụng các tế bào đơn PEMWE thực tế và mô phỏng tính toán. Kết quả thật ấn tượng.
Các hạt lớn hơn 20 nanomet tạo ra ít vùng kẹp hơn. Điều này cho phép các electron di chuyển tự do hơn giữa chất xúc tác và chất nền, khôi phục hiệu suất mà không cần bạch kim. Lần đầu tiên trên thế giới, nhóm nghiên cứu chứng minh, chỉ riêng kích thước hạt cũng có thể cải thiện đáng kể độ dẫn điện trong hệ thống PEMWE.
Nhóm nghiên cứu không chỉ dừng lại ở đó. Họ còn tối ưu hóa cấu trúc của lớp xúc tác. Thiết kế của họ làm giảm sự can thiệp của ionomer, trong khi vẫn duy trì hoạt động xúc tác mạnh. Điều này phá vỡ sự đánh đổi lâu đời giữa hoạt động và độ dẫn điện, hai yếu tố trước đây được cho là loại trừ lẫn nhau.
Bằng cách thiết kế giao diện ở cấp độ vi mô, họ mang lại cả khả năng phản ứng cao và điện trở thấp, ngay cả khi không có bạch kim. Nghiên cứu này cho thấy cách thiết kế giao diện mới có thể giải quyết vấn đề độ dẫn điện tại giao diện, vốn là điểm ghẽn trong công nghệ điện phân nước hiệu suất cao.
Nghiên cứu được công bố trên tạp chí Energy & Environmental Science.
