Một đột phá gần đây được công bố trên Nature Energy bởi các nhóm nghiên cứu từ Đại học Thiên Tân, Đại học New Mexico, Đại học Trung Sơn và các t tổ chức khác đã thành công vượt qua thách thức then chốt của máy điện phân màng trao đổi proton (PEM) yêu cầu nước siêu tinh khiết. Bằng cách đưa các oxit axit Brønsted vào lớp xúc tác cathode của máy điện phân PEM, họ đã xây dựng một vi môi trường axit mạnh c cục bộ, đặt nền móng quan trọng cho các ứng dụng hydro xanh chi phí thấp và trong nhiều bối cảnh.
Bối cảnh nghiên c cứu: Sự phụ thuộc vào nước siêu tinh khiết trở thành nút thắt cho việc thúc đẩy công nghệ
Máy điện phân PEM là công nghệ cốt lõi để sản xuất hydro xanh, nhưng chúng đặt ra các yêu cầu c cực kỳ khắt khe về chất lượng nước, đòi hỏi phải sử dụng nước siêu tinh khiết có điện trở suất 18 MΩ·cm. Các tạp chất cation như Ca²⁺, Mg²⁺ và Fe³⁺ trong nước cấp có thể kích hoạt một loạt vấn đề: một mặt, chúng thẩm thấu qua màng trao đổi proton và thay thế các ion H⁺ trong màng, khiến pH c cục bộ ở cathode tăng vọt đến mức kiềm mạnh, điều này ức chế động lực học phản ứng tạo hydro và dẫn đến kết tủa hydroxide, làm mất hoạt tính xúc tác; mặt khác, các ion như Fe³⁺ có thể khởi phát phản ứng Fenton, tạo ra các loại oxy phản ứng làm tăng tốc độ suy thoái màng proton, cuối cùng dẫn đến việc máy điện phân ngừng hoạt động. Điều này không chỉ làm tăng chi phí tiền xử lý nước mà còn hạn chế việc triển khai ở các khu vực khan hiếm nước.
Chiến lược cốt lõi: Xây dựng một vi môi trường axit mạnh cục bộ
Sử dụng kính hiển vi điện hóa quét kết hợp với công nghệ điện c cực siêu nhỏ pH, nhóm nghiên cứu đã tiến hành giám sát tại chỗ và phát hiện ra rằng khi sử dụng nước không tinh khiết, pH c cục bộ ở cathode tăng vọt lên 10,4 ở mật độ dòng điện 0,5 A·cm⁻². Để giải quyết vấn đề này, nhóm đã đề xuất một cơ chế "điều chỉnh pH c cục bộ" và chọn molybdenum trioxide (MoO₃), chất thể hiện tính axit Brønsted mạnh nhất, để nạp lên các chất xúc tác Pt/C. Cơ chế hoạt động như sau: dưới tác động của điện thế cathode, MoO₃ thúc đẩy sự phân ly của các phân tử nước bề mặt và bị proton hóa để tạo thành các cấu trúc Mo-O-H, sau đó giải phóng các ion H⁺ vào lớp điện kép tại giao diện điện c cực/chất điện phân. Thông qua chu trình “phân ly nước–proton hóa–khử proton”, một vi môi trường axit mạnh được duy trì tại chỗ xung quanh chất xúc tác．
Phát hiện cốt lõi： Hiệu suất nổi bật khi vận hành trong nước không tinh khiết
Máy điện phân mới trang bị chất xúc tác MoO₃-Pt/C duy trì độ pH c cục bộ tại cathode ổn định trong khoảng axit mạnh ２．５–３．５ ngay cả trong nước chứa nhiều tạp chất cation． Đường phân cực cho thấy hiệu suất của nó gần như tương đồng với máy điện phân tiêu chuẩn hoạt động trong nước tinh khiết， và duy trì ổn định trên １００ giờ ở mật độ dòng １．０ A·cm⁻²． Các thử nghiệm vận hành dài hạn xác nhận môi trường axit mạnh đã ức chế hiệu quả sự kết tủa hydroxide và lắng đọng kim loại， bảo toàn hoạt tính xúc tác．
Ưu điểm then chốt： Đột phá trong bảo vệ màng và khả năng chịu đựng chất lượng nước
Thử nghiệm so sánh tiết lộ sau khi vận hành １００ giờ trong nước chứa Fe³⁺， máy điện phân tiêu chuẩn thể hiện nồng độ cực cao các loại oxy phản ứng trong nước thải và ion fluoride từ sự suy giảm màng， với cấu trúc màng bị hư hại và Fe lắng đọng trên cathode． Ngược lại， các chỉ số liên quan của máy điện phân mới gần như giống hệt với những chỉ số quan sát được khi vận hành trong nước tinh khiết， không có sự suy giảm màng đáng kể hay lắng đọng Fe． Thử nghiệm nghiêm ngặt hơn với nước máy cho thấy máy điện phân tiêu chuẩn hỏng sau chưa đầy １００ giờ vận hành trong nước máy， trong khi máy điện phân mới có thể hoạt động ổn định trên ３，０００ giờ trong nước máy ở mật độ dòng công nghiệp １．０ A·cm⁻² với hầu như không suy giảm hiệu suất． Trong thử nghiệm chuyển đổi “nước tinh khiết–nước máy”， điện áp của máy điện phân mới chỉ tăng nhẹ từ １．７１ V lên １．７３ V， chứng tỏ độ nhạy cảm thấp với chất lượng nước．
Kết luận và triển vọng： Giảm chi phí và nâng cao hiệu suất thúc đẩy ứng dụng hydro xanh
Bằng cách kết hợp các oxide axit Brønsted， công nghệ này đạt được ba hiệu ứng： khắc phục sự gia tăng pH， ức chế kết tủa， và bảo vệ màng trao đổi proton， giải phóng máy điện phân PEM khỏi sự phụ thuộc vào hệ thống nước siêu tinh khiết． Phân tích kỹ thuật–kinh tế cho thấy， trong các kịch bản cấp nước không tinh khiết， nó có thể giảm chi phí hydro bình quân ０．３０％–８．１９％， tiết kiệm hàng chục nghìn đến hàng trăm nghìn USD mỗi năm．Đột phá này giúp giảm đáng kể đầu tư cơ sở hạ tầng và chi phí vận hành-bảo trì cho sản xuất hydro PEM, mang lại giải pháp khả thi cho việc ứng dụng quy mô lớn công nghệ hydro xanh tại các khu vực khan hiếm nước.
