Chất xúc tác sắt làm cho pin nhiên liệu hydro trở nên thiết thực

Pin nhiên liệu hydro: Chất xúc tác sắt thay thế bạch kim

Về mặt lý thuyết, hydro có thể là nhiên liệu hoàn hảo cho tương lai xanh: Nó có thể được sản xuất từ ​​điện tái tạo, không tạo ra bất kỳ chất gây ô nhiễm nào khi tiêu thụ và chỉ cần nước làm nguyên liệu để sản xuất.

Tuy nhiên, việc sản xuất hydro với chi phí đủ thấp vẫn còn là một thách thức. Các hệ thống thay thế, như đồng thời sản xuất nước ngọt, chất xúc tác hydro mới không cần kim loại quý, hoặc là quang xúc tácđang được khám phá.

Một bước khác làm giảm khả năng thương mại của hydro là ở giai đoạn tiêu thụ. Khi không được sử dụng trong động cơ đốt trong (tương tự như động cơ nhiên liệu, với hiệu suất thấp hơn), pin nhiên liệu được sử dụng, thường đòi hỏi bạch kim đắt tiền làm chất xúc tác.

Điều này không chỉ làm cho pin nhiên liệu đắt hơn mà còn có thể cản trở việc áp dụng rộng rãi hydro làm nhiên liệu, vì bạch kim và các kim loại liên quan như paladi rất hiếm trên Trái Đất, khiến việc tăng sản lượng của chúng trở nên khó khăn.

May mắn thay, các giải pháp thay thế đang xuất hiện nhờ vào công trình nghiên cứu của các nhà khoa học Trung Quốc tại nhiều viện nghiên cứu hàng đầu của đất nước: Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc, Đại học Thâm Quyến (Trung Quốc), Đại học Đông Nam (Trung Quốc), Đại học Thanh Hoa, Đại học Công nghệ Hóa học Bắc Kinh, Đại học Thành phố Hồng Kông và Đại học Hạ Môn.

Họ đã xuất bản¹ việc phát hiện ra chất xúc tác gốc sắt mới cho pin nhiên liệu trên tạp chí khoa học uy tín Nature, với tiêu đề “Khử oxy axit bằng chất xúc tác Fe nguyên tử đơn trên giá đỡ cong".

Pin nhiên liệu hoạt động như thế nào

Các bộ phận của pin nhiên liệu tạo ra điện từ việc tiêu thụ hydro là màng trao đổi proton (PEM).

Pin nhiên liệu hoạt động bằng cách xúc tác quá trình chuyển đổi hydro (H₂) thành proton (ion H+) + electron, tạo ra dòng điện. Như đã đề cập trước đó, chất xúc tác này thường là bạch kim, một kim loại đắt tiền.

Nguồn: Wikipedia

Thay vào đó, các nhà khoa học Trung Quốc đã tạo ra một thiết kế chất xúc tác mới, được mô tả là "kích hoạt bên trong, bảo vệ bên ngoài", dựa vào sắt đơn giản làm chất xúc tác.

Chất xúc tác hydro gốc sắt

Những thách thức của chất xúc tác sắt trong pin nhiên liệu

Ý tưởng sử dụng chất xúc tác sắt, có khả năng tự nhiên hấp thụ oxy (xu hướng mà chúng ta thường gọi là "gỉ sét") và liên kết nó với các ion hydro, không phải là điều mới mẻ.

Nhưng cho đến nay, nó đã bị cản trở bởi các phản ứng hóa học không mong muốn, đặc biệt là sự hấp phụ mạnh các chất trung gian phản ứng có oxy và sự khử kim loại của các nguyên tử sắt. Do đó, các nguyên tử sắt hoặc bị "mắc kẹt" với các hợp chất giàu oxy, hoặc chúng không còn khả năng hoạt động như một chất xúc tác.

Để ngăn chặn những phản ứng không mong muốn này, các nhà nghiên cứu đã tạo ra một cấu trúc nano độc đáo cho chất xúc tác sắt.

Chất xúc tác sắt rỗng có cấu trúc nano

Chất xúc tác sắt truyền thống dựa vào bề mặt ngoài của graphene hoặc vật liệu hỗ trợ carbon, hạn chế lượng sắt có thể tiếp cận để thực hiện phản ứng mong muốn với hydro.

Thay vào đó, phương pháp được sử dụng là tạo ra một bề mặt cong bên trong với vị trí xúc tác sắt đơn nguyên tử.

Mỗi vị trí này nằm trong một cấu trúc rỗng đa vỏ (HoMS) nano giới hạn. Các HoMS nano này được trải rộng và liên kết với một lớp carbon 2D, tương tự như graphene.

Nguồn: Cổng nghiên cứu

Các hạt nano rỗng có kích thước khoảng 10 nm × Kích thước 4 nm, bao gồm nhiều lớp vỏ, trong đó các nguyên tử sắt tập trung ở các lớp bên trong với mật độ cao. Phổ hấp thụ tia X synchrotron cho thấy các nguyên tử sắt bên trong này đạt tỷ lệ 57.9% ở trạng thái hoạt động xúc tác.

Nguồn: Cổng nghiên cứu

Tăng hiệu suất với chất xúc tác sắt

Vuốt để cuộn →

Cấu trúc nano làm suy yếu sức liên kết của các chất trung gian phản ứng có oxy, loại bỏ hạn chế lớn của chất xúc tác gốc sắt.

Nguồn: Cổng nghiên cứu

Nó cũng làm giảm tốc độ sản xuất gốc hydroxyl (•OH), một phân tử rất dễ phản ứng và gây hại, luôn là một vấn đề tiềm ẩn trong phản ứng oxy-hydro.

Kết quả cuối cùng là một pin nhiên liệu sử dụng chất xúc tác sắt vượt trội hơn hẳn so với các thiết kế khác, cả về mật độ công suất cực đại và mật độ dòng điện (các ngôi sao màu đỏ bên dưới), với mật độ công suất cao kỷ lục là 0.75 W cm−2 dưới áp suất 1.0 bar H2–không khí.

Nguồn: Cổng nghiên cứu

Thiết kế chất xúc tác này cũng bền hơn nhiều so với phiên bản chất xúc tác gốc sắt trước đây, duy trì hiệu suất 86% sau hơn 300 giờ hoạt động.

Nguồn: Cổng nghiên cứu

Kết luận

Nền kinh tế hydro chỉ có thể khả thi khi các cân nhắc về kinh tế đã được giải quyết, với các chất xúc tác dễ sản xuất, dựa vào các vật liệu dồi dào và rẻ tiền.

Trong bối cảnh đó, sắt, một trong những kim loại được sản xuất nhiều nhất và rẻ nhất trên trái đất, sẽ là ứng cử viên lý tưởng.

Điều này cũng có nghĩa là hiệu suất suy giảm tương đối nhanh theo thời gian (có thể vẫn được cải thiện so với thiết kế thử nghiệm đầu tiên) sẽ không còn là vấn đề lớn nữa, và bộ phận xúc tác của pin nhiên liệu có thể được thay thế thường xuyên bằng bộ phận mới, trong khi bộ phận đã qua sử dụng sẽ được tái chế hoặc tái tạo để đạt hiệu suất ban đầu.

Đầu tư vào công nghệ pin nhiên liệu

Cắm điện Inc.

Plug Power là công ty hàng đầu về hydro xanh, tập trung vào pin nhiên liệu. Công ty báo cáo đã lắp đặt hơn 72,000 pin nhiên liệu tại hơn 300 địa điểm, với quy mô lớn trong các đội xe xử lý vật liệu. Cụ thể, pin nhiên liệu của công ty cung cấp năng lượng cho hơn 40,000 xe nâng và doanh thu tăng gấp 8 lần kể từ năm 2013.

Công ty cũng tích cực xây dựng cơ sở hạ tầng hydro, như sản xuất hydro, hậu cần, phát điện quy mô lớn và giao hàng.

Nguồn: Cắm điện

Công ty đang hướng tới mục tiêu mở rộng quy mô để giảm chi phí sản xuất hydro từ 10 đô la/kg xuống còn 4 đô la/kg, đồng thời tăng sản lượng lên 14 lần vào năm 2027. Công ty cũng sẽ thay thế toàn bộ lượng hydro có nguồn gốc bên ngoài, vốn thường được bán lại cho khách hàng với giá lỗ.

Do đầu tư lớn để tăng năng lực sản xuất lên 19 lần kể từ năm 2020, công ty vẫn chưa có lãi, nhưng tiến triển trong việc tự cung cấp hydro sẽ thay đổi điều đó.

Công ty coi giải pháp của mình là nhiên liệu di động trực tiếp hoặc là sự bổ sung cho EV, vì hydro giúp giảm áp lực lên lưới điện trong thời gian sạc cao điểm của EV, không trùng với thời gian sản xuất năng lượng tái tạo trong ngày.

Nguồn: Cắm điện

Là một nhà sản xuất pin nhiên liệu lớn, Plug Power sẽ được hưởng lợi rất nhiều từ việc chuyển đổi sang nền kinh tế dựa trên hydro. Một chất xúc tác pin nhiên liệu rẻ hơn có thể được tích hợp vào thiết kế của công ty, qua đó thúc đẩy tỷ lệ áp dụng xe chạy bằng hydro và hệ thống lưu trữ năng lượng quy mô lưới điện.

Vì vậy, điều này khiến Plug Power trở thành cổ phiếu tốt để đặt cược vào sự chuyển hướng sang hydro nói chung, với nhu cầu về pin nhiên liệu tăng lên mỗi khi có phương pháp sản xuất, lưu trữ, vận chuyển hoặc sử dụng hydro rẻ hơn được phát minh.

Tin tức và diễn biến mới nhất về cổ phiếu Plug Power Inc (PLUG)

Nghiên cứu tham khảo

^{1. Zhao, Y., Wan, J., Ling, C. và cộng sự. Khử oxy axit bằng chất xúc tác Fe nguyên tử đơn trên giá đỡ cong. Thiên nhiên 644, 668 lên 675 (2025). https://doi.org/10.1038/s41586-025-09364-6}