Tương lai không khói thải khởi nguồn từ “rỉ sắt xanh”

Một nghiên cứu tại Nhật Bản chỉ ra rằng ‘rỉ sắt xanh’, một khoáng chất tưởng chừng bình thường có thể trở thành chất xúc tác hiệu quả, góp phần hạ chi phí sản xuất hydro và đưa giấc mơ giao thông không phát thải đến gần hơn với đời sống.

Chất xúc tác có thể được ứng dụng để vận hành pin nhiên liệu hydro trên ô tô và tàu thủy. (Ảnh minh họa). Ảnh: Monty Rakusen/GettyImages

Một trong những thách thức lớn nhất trong việc biến hydro trở thành nguồn năng lượng phổ biến là giải bài toán lưu trữ an toàn và hiệu quả.

Các nhà nghiên cứu tại Nhật Bản vừa phát triển một loại chất xúc tác ứng dụng trong lưu trữ hydro với chi phí thấp nhưng mang lại hiệu suất cao, dựa trên bản cải biến của “rỉ sắt xanh” - một dạng sắt hydroxide phổ biến.

Nghiên cứu tại Viện Khoa học Vật liệu Quốc gia (NIMS) đã chứng minh khí hydro có thể được giải phóng từ natri borohydride (NaBH4) mà không cần đến kim loại quý hiếm như bạch kim. Đây được xem là một bước tiến lớn trong phát triển công nghệ phương tiện chạy bằng hydrogen, góp phần tháo gỡ rào cản trên con đường đưa hydro trở thành nhiên liệu sạch.

“Chúng tôi kỳ vọng chất xúc tác này sẽ được ứng dụng trong pin nhiên liệu hydro cho nhiều phương tiện, từ ô tô đến tàu thủy”, TS. Yusuke Ide, Trưởng nhóm nghiên cứu nhận định. “Đây có thể là tiền đề cho các giải pháp giao thông không phát thải trong tương lai”.

Natri borohydride - giải pháp thay thế đầy tiềm năng

Khí hydro từ lâu được kỳ vọng sẽ trở thành nhiên liệu của tương lai nhờ đặc tính sạch và hiệu quả. Thế nhưng, để hiện thực hóa điều đó cần phải giải quyết một câu hỏi nan giải: lưu trữ thế nào cho an toàn và khả thi? Có thể dùng các vật liệu rắn để lưu trữ hydro, song yêu cầu nhiệt độ cao để giải phóng lại khiến giải pháp này khó áp dụng rộng rãi.

Trong khi đó, natri borohydride (SBH) được xem là một phương pháp thay thế có khả năng sản sinh hydro thông qua phản ứng thủy phân với nước ở nhiệt độ phòng. Tuy nhiên, quá trình này cần có chất xúc tác, mà giá thành các chất xúc tác truyền thống như bạch kim lại quá cao, khiến việc thương mại hóa gặp nhiều trở ngại.

“Mặc dù natri borohydride đã được nghiên cứu rộng rãi như một vật liệu lưu trữ hydro có mật độ cao, hứa hẹn mở đường cho một xã hội vận hành bằng năng lượng hydro, song việc phát triển chất xúc tác vừa hiệu quả vừa tiết kiệm chi phí cho quá trình tạo hydro từ SBH vẫn còn là một thách thức”. nhóm nghiên cứu cho biết.

Giải pháp “rỉ sắt xanh” hiệu quả và tiết kiệm

Nhóm nghiên cứu đã mang đến một giải pháp: cải biến “rỉ sắt xanh”, một loại nguyên liệu từng được cho là quá kém ổn định, bằng cách xử lý hạt vật liệu này với dung dịch đồng chlorua. Trong quá trình xử lý, các cụm nano oxit đồng xuất hiện ở rìa hạt, tạo nên những điểm hoạt động mạnh cho phản ứng sinh hydro hiệu quả hơn.

Nghiên cứu nhấn mạnh, “Rỉ sắt xanh là một khoáng sắt hydroxide hỗn hợp có cấu trúc lớp kép, gồm các lớp hydroxide sắt ferrous(Fe²⁺)/ferric (Fe³⁺) tích điện dương và các anion xen kẽ”.

Đáng chú ý hơn, chất xúc tác này có thể tận dụng triệt để năng lượng mặt trời: cấu trúc rỉ sắt xanh hấp thụ ánh sáng và truyền năng lượng qua các cụm đồng, từ đó tăng hiệu suất phản ứng thủy phân và tốc độ sản sinh hydro.

“Kết quả thử nghiệm cho thấy chất xúc tác mới có tần suất chuyển hóa hydro cao, ngang bằng hoặc thậm chí vượt trội hơn các vật liệu xúc tác dựa trên kim loại quý”, nhóm nghiên cứu khẳng định. “Đồng thời, chất xúc tác cũng thể hiện độ bền xuất sắc, duy trì hoạt tính ổn định sau nhiều lần sử dụng”.

Bước tiến ứng dụng trong năng lượng hydro

Những phát hiện từ nghiên cứu này mang lại tiềm năng ứng dụng rõ rệt: chất xúc tác không những hoạt động hiệu quả ở nhiệt độ phòng, mà còn dễ sản xuất và có thể tích hợp vào các hệ thống hydro hiện có.

Nhờ kết hợp với những nỗ lực đang diễn ra nhằm phát triển sản xuất natri borohydride với chi phí thấp, tiến bộ trong công nghệ chất xúc tác này có thể tạo điều kiện ứng dụng rộng rãi năng lượng hydro sạch.

Với việc sản xuất SBH giá rẻ đang được phát triển cùng các dự án thí điểm sử dụng công nghệ này trong tàu thủy chạy hydro, thành tựu mới có thể đẩy nhanh quá trình chuyển đổi toàn cầu sang năng lượng hydro sạch.

Phương Như (theo interestingengineering)