Các phương tiện chạy bằng nhiên liệu hydro có thể là một bước quan trọng hướng tới một hành tinh sạch hơn. Hydro không phát ra hóa chất nào ngoài hơi nước, giúp giảm mức độ ô nhiễm không khí và carbon dioxide có hại. Mặc dù hydro là một trong những nguyên tố phong phú nhất trên Trái đất, nhưng hiện tại việc khai thác nó từ các nguồn tài nguyên phi hóa thạch rất tốn kém.
Hydro thường được chiết xuất thông qua một quá trình được gọi là dịch chuyển hơi nước mêtan trong khí tự nhiên, nhưng quá trình tách nước bằng điện hóa sẽ sạch hơn và bền vững hơn. Quá trình này sử dụng các chất xúc tác làm tăng tốc độ phản ứng hóa học mà không có bất kỳ thay đổi hóa học vĩnh viễn nào. Tuy nhiên, chi phí công nghệ xanh đã là một rào cản trên thị trường.
Nhóm nghiên cứu đã phát hiện và xác nhận những phát hiện mới của họ thông qua các nguồn từ Nguồn Photon Tiên tiến (APS) và Phòng Khoa học của Phòng thí nghiệm Quốc gia Argonne thuộc Bộ Năng lượng Hoa Kỳ (DOE).
Theo nghiên cứu của giáo sư kỹ thuật hóa học Zhenzing Feng của OSU, các chất xúc tác thường thay đổi cấu trúc trong quá trình phản ứng xúc tiến. Đôi khi những thay đổi có thể đảo ngược, đôi khi không thể đảo ngược và sự sắp xếp lại cấu trúc không thể đảo ngược được cho là làm giảm khả năng của chất xúc tác ảnh hưởng đến các phản ứng hóa học.
Giáo sư Zhenzing Feng, nghiên cứu sinh tiến sĩ Maoyu Wang của OSU và các cộng tác viên đã nghiên cứu cấu trúc của chất xúc tác trong phản ứng, sau đó điều chỉnh cấu trúc và thành phần bề mặt của nó ở quy mô nguyên tử để xúc tác sản xuất hydro hiệu quả. Chất xúc tác mới dựa trên iridi hydroxit không đều, hiệu quả hơn 150 lần so với cấu trúc ban đầu được sử dụng và tốt hơn gần ba bậc độ lớn (tương đương 1.000 lần) so với chất xúc tác thương mại phổ biến, iridi oxit.
Feng cho biết: “Chúng tôi đã tìm thấy ít nhất hai nhóm vật liệu trải qua những thay đổi không thể đảo ngược, hóa ra lại là chất xúc tác tốt hơn để sản xuất hydro. "Điều này có thể giúp chúng tôi sản xuất hydro với mức giá 2 USD/kg, cuối cùng giảm xuống còn 1 USD/kg."
Bộ Năng lượng Hoa Kỳ (DOE) đã đưa ra sáng kiến “Energy Earthshots” nhằm đẩy nhanh các bước đột phá trong các giải pháp năng lượng sạch phong phú, giá cả phải chăng và đáng tin cậy hơn, đặt mục tiêu giảm 80% chi phí hydro sạch trong vòng một thập kỷ, với mức giá Tại mục tiêu là 1 USD/kg ("111"). Đạo luật Cơ sở hạ tầng, được ký thành luật vào tháng 11 năm 2021, cho phép một chương trình trị giá 8 tỷ đô la hỗ trợ phát triển các trung tâm hydro sạch ở ít nhất bốn khu vực, tạo ra một mạng lưới các nhà sản xuất, lưu trữ, vận chuyển và cơ sở hạ tầng giao thông.
Feng và nhóm nghiên cứu của ông đã sử dụng một số kỹ thuật tia X thông qua nguồn photon tiên tiến để xác thực những phát hiện của họ. Công việc được thực hiện trên các đường tia 9-BM và 4-ID-C, nhóm nghiên cứu có thể quan sát quá trình điện hóa đang diễn ra, từ đó có được thông tin về sự thay đổi của chất xúc tác trong thời gian thực.
John Freeland, nhà vật lý Argonne và đồng tác giả của bài báo Science Advances giải thích: “Các vật liệu là chất xúc tác tốt thường không ổn định. "Khi một vật liệu được kích hoạt, rất khó để biết liệu vật liệu đó có phải là chất xúc tác tốt hay không và liệu nó có thu được kết quả như mong đợi hay liệu nó có bị tiêu hao trong quá trình giải phóng hydro hay không. Nếu nó bị tiêu hao, thì sẽ có không còn chất xúc tác nào nữa."
Đó là những gì Nguồn Photon nâng cao làm. Sử dụng tia X siêu sáng, các nhà khoa học có thể thu được thông tin cấu trúc và hóa học ở quy mô cực nhỏ, không chỉ để xem những gì đang diễn ra bên trong vật liệu khi nó phản ứng, mà còn để xem những gì đang diễn ra trên bề mặt vật liệu để xem nếu nó bị xói mòn hoặc biến đổi.
George Sterbinsky, một nhà vật lý Argonne và là đồng tác giả của bài báo Science Advances, cho biết: "Phổ hấp thụ tia X cho phép chúng ta xem xét cấu trúc nguyên tử và xem nó đã thay đổi như thế nào. Quang phổ hấp thụ tia X cho chúng ta cả hóa học và cấu trúc." thông tin để chúng ta có thể hiểu quá trình xúc tác."
Hiểu biết toàn diện là rất quan trọng vì các vật liệu thường được sử dụng trong chất xúc tác (ví dụ: iridi) thường rất đắt tiền. Freeland cho biết các nguồn photon tiên tiến, đã được sử dụng trong các chất xúc tác trong nhiều năm, có thể cung cấp cho nhóm nghiên cứu kinh nghiệm để đảm bảo các thí nghiệm của họ thành công.
Ông nói: “Làm tốt không phải là điều dễ dàng. "Nó có thể sai theo nhiều cách và chúng tôi có thể giúp các nhà nghiên cứu có được dữ liệu họ muốn."
Nguồn Photon Nâng cao đang trải qua quá trình nâng cấp lớn để tăng độ sáng của tia X lên hệ số 500 và Freeland chỉ ra rằng nghiên cứu về chất xúc tác sẽ còn tốt hơn nữa khi cơ sở nâng cấp đi vào hoạt động. Tia X sáng hơn sẽ cho phép các nhà nghiên cứu mở rộng các thí nghiệm này ở quy mô nhỏ hơn, sử dụng các mẫu chất xúc tác siêu nhỏ và thu được thông tin cấu trúc và hóa học tốt hơn từ chúng.
Nhóm nghiên cứu của Feng tập trung vào công nghệ điện phân nước để sản xuất hydro sạch, sử dụng điện từ các nguồn năng lượng tái tạo để tách nước để tạo ra hydro sạch. Tuy nhiên, Feng cho biết, hiệu quả của quá trình tách nước thấp, chủ yếu là do tiềm năng quá cao đối với một phần quan trọng của quá trình, sự khác biệt giữa tiềm năng thực tế và lý thuyết của phản ứng điện hóa.
Feng cho biết: "Các chất xúc tác rất quan trọng để thúc đẩy phản ứng tách nước bằng cách giảm thế năng quá mức, do đó giảm chi phí sản xuất hydro. Bài báo nghiên cứu được công bố đầu tiên của chúng tôi trên JACS Au đặt nền móng cho chúng tôi, như chúng tôi đã làm trong " Như đã trình bày trong Khoa học Bài báo nâng cao, giờ đây chúng ta có thể thao tác tốt hơn với các nguyên tử trên bề mặt để thiết kế chất xúc tác với cấu trúc và thành phần mong muốn."
Đồng tác giả của các tài liệu nghiên cứu này bao gồm Đại học Texas, Đại học Bắc Kinh, Phòng thí nghiệm Quốc gia Tây Bắc Thái Bình Dương, Đại học Tây Bắc và Đại học Công nghệ Nam Trung Quốc. Đại học Công nghệ, Đại học Cambridge, Đại học California, Berkeley và Đại học Công nghệ Nanyang của Singapore.