Kỹ thuật mới, sản xuất hydro trực tiếp từ nước biển chưa qua xử lý

Nhóm các nhà khoa học quốc tế do GS Shizhang Qiao thuộc Đại học Adelaide, Úc và PGS Yao Zheng từ Trường Kỹ thuật Hóa học thuộc đại học này dẫn đầu đã phát minh quy trình điện phân sản xuất hydro từ nước biển, không cần phải lọc nước và sử dụng chất xúc tác bằng kim loại không quý hiếm.

Giáo sư Qiao cho biết: “Chúng tôi đã tách nước biển tự nhiên thành oxy và hydro với hiệu suất gần 100%, tạo ra hydro xanh bằng phương pháp điện phân sử dụng chất xúc tác không quý hiếm, rẻ tiền trong máy điện phân thương mại”.

Chất xúc tác không quý điển hình là các kim loại chuyển tiếp được phủ oxit coban với oxit crom trên bề mặt.

PGS Zheng cho biết: “Nhóm chúng tôi đã sử dụng nước biển làm nguyên liệu đầu vào, không cần bất kỳ quy trình tiền xử lý nào như phân hủy thẩm thấu ngược, tinh chế hoặc kiềm hóa. Hiệu suất của một máy điện phân thương mại với các chất xúc tác của chúng tôi trong nước biển gần với hiệu suất của các chất xúc tác bạch kim/iridi chạy trong một nguyên liệu đầu vào là nước khử ion có độ tinh khiết cao.

Nhóm nhà khoa học đã công bố kết quả công trình nghiên cứu trên tạp chí Nature Energy.

PGS Zheng cho biết: "Các máy điện phân hiện tại hoạt động bằng nước điện phân có độ tinh khiết cao. Nhu cầu hydro ngày càng tăng nhằm thay thế một phần hoặc toàn bộ năng lượng từ nhiên liệu hóa thạch sẽ làm tăng đáng kể sự khan hiếm những nguồn nước ngọt ngày càng hạn chế".

Nước biển là nguồn tài nguyên gần như vô hạn và được coi là chất điện phân nguyên liệu tự nhiên. Điều này thực tế hơn đối với các vùng có bờ biển dài và nhiều ánh sáng mặt trời.

Trong nhiều thập kỷ, các nhà khoa học đã cố gắng phát triển các thiết bị sản xuất hydro từ nước biển nhưng gặp phải những thách thức khó vượt qua.

Khi đưa nước biển vào máy điện phân, các ion clo không mong muốn trong nước biển sẽ phá hủy vật liệu xúc tác thúc đẩy phản ứng phân tách nước tạo ra hydro. Các kết tủa không hòa tan quy mô lớn cũng hình thành, ngăn chặn các vị trí phản ứng và cản trở sản xuất quy mô lớn.

Hệ thống mới do Qiao và các đồng nghiệp phát triển tránh được cả hai vấn đề này.

Điện phân nước biển vẫn ở giai đoạn đầu phát triển so với điện phân nước tinh khiết do những phản ứng phụ của điện cực và sự ăn mòn phát sinh từ những hợp chất có trong nước biển.

PGS Zheng giải thích: “Việc xử lý nước không tinh khiết đến mức độ tinh khiết của nước đối với các máy điện phân thông thường là phải khử muối và khử các ion, quá trình tiền xử lý nước làm tăng chi phí vận hành và bảo trì toàn bộ quy trình”.

"Nghiên cứu của chúng tôi cung cấp một giải pháp sử dụng trực tiếp nước biển mà không cần hệ thống tiền xử lý và bổ sung kiềm, cho hiệu suất tương tự như hiệu suất của máy điện phân nước tinh khiết trưởng thành trên cơ sở chất xúc tác kim loại hiện có." Các nhà khoa học cũng không xử lý nước biển mà chỉ lọc để loại bỏ vi sinh vật và chất rắn.

Để đạt được hiệu quả điện phân nước biển, các nhà khoa học sử dụng chất xúc tác kim loại không quý hiếm, một kim loại chuyển tiếp được phủ một lớp oxit crom như (Cr2O3) trên các chất xúc tác oxit kim loại chuyển tiếp để phân tách động các phân tử nước và thu giữ các anion hydroxyl. Độ kiềm cục bộ được tạo ra tại chỗ tạo điều kiện thuận lợi cho động học của cả hai phản ứng trên điện cực, loại trừ sự tấn công của clorua và sự hình thành kết tủa trên các điện cực.

Các nhà khoa học đã nhận thấy, quy trình này có hiệu suất gần bằng những hệ thống điện phân hiện tại với yêu cầu tiền xử lý nước và các chất xúc tác đắt tiền, đồng thời cũng đạt hiệu quả gần như 100%. Nhóm nghiên cứu xác nhận, cần phải mở rộng nghiên cứu để đảm bảo không có phản ứng phụ nào xảy ra trong khoảng thời gian dài. Nhóm nhà khoa học đồng thời xem xét phát triển quy trình để có thể mở rộng đối với các hệ thống phân tách điện quy mô lớn và đảm bảo không có những chi phí ẩn khi đưa vào sản xuất thương mại.

Nhóm nghiên cứu hiện đang làm việc để mở rộng quy mô hệ thống bằng phương pháp sử dụng một máy điện phân lớn hơn, hoạt động trong các quy trình thương mại như sản xuất hydro cho pin nhiên liệu và tổng hợp amoniac.

Theo ScienceDaily