Khoa học tự nhiên

Chất xúc tác mới tách nước hiệu quả hơn gấp ba lần (07/04/2016)

Các nhà khoa học đã phát triển một loại chất xúc tác mới dùng để tách nước thành hyđrô và ôxy nhanh hơn gấp 3 lần so với kỷ lục trước đây - đây là bước quan trọng đầu tiên trong sản xuất nhiên liệu từ năng lượng tái tạo như năng lượng mặt trời và năng lượng gió.

Nghiên cứu được công bố trên Tạp chí Science, đã đưa ra một biện pháp tiềm năng nhằm tạo ra một thế hệ chất xúc tác trong tương lai dùng để tách nước từ ba kim loại - sắt, coban và vonfram - chứ không phải là các kim loại hiếm, đắt tiền mà nhiều chất xúc tác hiện nay đang được sử dụng.

Tích trữ năng lượng mặt trời và năng lượng gió

Các nhà khoa học đang nghiên cứu một giải pháp hiệu quả để tích trữ điện sản xuất từ năng lượng mặt trời và năng lượng gió, có thể được sử dụng bất cứ lúc nào - không chỉ khi mặt trời chiếu sáng và có gió thổi. Một giải pháp được thực hiện đó là sử dụng dòng điện để tách các phân tử nước thành hydro và oxy và tích trữ hydro để sử dụng như một loại nhiên liệu.

Phản ứng này diễn ra qua một số bước, mỗi bước cần một chất xúc tác để thúc đẩy các phản ứng hóa học diễn ra nhanh hơn mà chất xúc tác không bị mất đi. Trong trường hợp này, các nhà khoa học tập trung vào bước mà các nguyên tử oxy cặp đôi tạo thành các bọt khí bay đi.

Trong nghiên cứu trước đây, Vojvodic và các đồng nghiệp đã sử dụng lý thuyết và phép tính để theo dõi chất xúc tác oxit tách nước có chứa một hoặc hai kim loại và đưa ra các cách giúp cho chúng hoạt động tích cực hơn. Trong nghiên cứu này, Edward H. Sargent, giáo sư kỹ thuật điện và máy tính tại Trường Đại học Toronto đã yêu cầu xem xét tính hiệu quả của việc thêm vonfram - một dạng kim loại nặng, dày, được sử dụng làm sợi bóng đèn và chắn bức xạ mà đối với chất xúc tác sắt - coban đã được nghiên cứu, nhưng chưa phải là hiệu quả nhất.

Với sự trợ giúp của máy tính và những công cụ tính toán hiện đại, nhóm nghiên cứu đã xác định nên tăng lượng vonfram cho hoạt động xúc tác - đặc biệt nếu ba kim loại có thể được trộn đều với nhau, các nguyên tử của chúng sẽ phân bố đều ở gần những vị trí hoạt động của chất xúc tác, nơi mà phản ứng xảy ra, chứ không phải là tách thành từng nhóm như vẫn thường làm.

Vonfram là một nguyên tử khá lớn so với hai kim loại kia và khi thêm một ít vào thì mạng nguyên tử sẽ mở rộng, điều này ảnh hưởng đến phản ứng không chỉ về mặt hình học mà còn về mặt điện tử. Các nhà khoa học có thể hiểu, tại sao nó hoạt động ở quy mô nguyên tử và sau đó đã được kiểm chứng bằng thực nghiệm.

Thêm các nguyên tử kim loại, Mix và Gel

Dựa trên những thông tin đó, nhóm nghiên cứu của Sargent đã phát triển một phương pháp mới nhằm phân phối đều ba kim loại trong chất xúc tác: Họ đã hòa tan các kim loại và các thành phần khác vào một dung dịch và sau đó từ từ chuyển dung dịch thành dạng gel ở nhiệt độ phòng, điều chỉnh quá trình sao cho các nguyên tử kim loại không vón lại với nhau. Các gel sau đó được sấy khô thành dạng bột màu trắng mà các hạt của nó được sàng qua các lỗ nhỏ, việc tăng diện tích bề mặt nơi mà các hóa chất có thể dính vào và phản ứng với nhau.

Trong các thử nghiệm, chất xúc tác này có thể tạo ra khí oxy nhanh hơn gấp ba lần so với kỷ lục trước đây. Nó cũng chứng tỏ tính ổn định qua hàng trăm chu trình phản ứng. Đây là một bước tiến lớn, tuy nhiên cần tạo ra các chất xúc tác và hệ thống điện hiệu suất cao, hiệu quả chi phí và cường độ lớn nhằm giảm chi phí sản xuất các nhiên liệu hydro tái tạo ở mức cạnh tranh hơn.

Các nhà nghiên cứu hy vọng sẽ sử dụng phương pháp tương tự để phát triển chất xúc tác ba kim loại khác để tách nước và cũng có thể tách carbon dioxide, một loại khí nhà kính thải ra do quá trình đốt nhiên liệu hóa thạch để sản xuất các nhiên liệu tái tạo và các nhiên liệu hóa học. Hiện nay, nhóm nghiên cứu của Đại học Toronto đang xin được cấp bằng sáng chế về kỹ thuật điều chế chất xúc tác.

Nguồn: vista.gov.vn (Theo Sciencedaily)