Trong bối cảnh toàn cầu đang nỗ lực cắt giảm phát thải khí nhà kính và chuyển dịch sang nền kinh tế xanh, việc phát triển các nguồn năng lượng sạch như hydro xanh đang trở thành ưu tiên hàng đầu. Một trong những thách thức lớn nhất đối với quá trình sản xuất hydro xanh chính là chi phí cao, đặc biệt đến từ việc sử dụng các chất xúc tác kim loại quý trong quá trình điện phân nước. Tuy nhiên, bước ngoặt mới đã xuất hiện: một nhóm các nhà khoa học Hàn Quốc vừa công bố thành công một công nghệ điện cực tự phục hồi – một phương pháp sản xuất hydro xanh không cần đến quy trình chế tạo xúc tác phức tạp, góp phần giảm đáng kể chi phí sản xuất và nâng cao hiệu quả kinh tế.

Hydro xanh và vai trò trong chuyển đổi năng lượng

Hydro xanh là hydro được sản xuất thông qua quá trình điện phân nước, sử dụng nguồn điện tái tạo như năng lượng mặt trời hoặc gió. Không giống như hydro xám – vốn dựa vào nhiên liệu hóa thạch và thải ra CO₂ – hydro xanh là nhiên liệu sạch, không phát thải khí nhà kính. Nhờ đó, nó được coi là chìa khóa trong việc giảm sự phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch, hướng đến nền kinh tế trung hòa carbon.

Tuy nhiên, sản xuất hydro xanh hiện nay vẫn gặp nhiều trở ngại do chi phí sản xuất cao, trong đó một phần lớn đến từ việc sử dụng các lớp xúc tác đắt tiền như platinum, ruthenium hay iridium. Những vật liệu này không chỉ có giá thành cao mà còn yêu cầu quy trình tổng hợp phức tạp để đạt được hiệu quả phản ứng điện phân mong muốn.

Đột phá từ Hàn Quốc: Phương pháp “Hoạt động kích hoạt điện hóa (EA)”

Trước bài toán này, các nhà nghiên cứu tại Đại học Quốc gia Seoul và Đại học Konkuk (gồm các giáo sư Jeyong Yoon, Jaeyune Ryu và Jang Yong Lee) đã đưa ra giải pháp hoàn toàn mới: một chiến lược hoạt động điện phân nước không cần đến quy trình sản xuất xúc tác cầu kỳ, nhờ đó có thể giảm chi phí nhưng vẫn đảm bảo hiệu quả sản xuất hydro xanh.

Phương pháp này được gọi là “Hoạt động kích hoạt điện hóa (Electrochemical Activation - EA)” – một cơ chế giúp điện cực duy trì hiệu suất cao mà không cần bổ sung lớp xúc tác kim loại quý. Nhóm nghiên cứu sử dụng điện cực niken (Ni) thương mại – vật liệu phổ biến, giá rẻ – nhưng vẫn đạt được hiệu quả tương đương với chất xúc tác NiFeOOH cao cấp, thường dùng trong phản ứng giải phóng oxy (OER) – một bước quan trọng quyết định tốc độ của quá trình điện phân nước.

Cơ chế tự phục hồi của điện cực

Yếu tố đột phá nằm ở kỹ thuật kiểm soát phân cực động, giúp điện cực tự tạo và duy trì lớp xúc tác trên bề mặt thông qua quá trình hoạt động lặp lại.

Cụ thể, nhóm nghiên cứu nhận thấy rằng, trong quá trình điện phân nước bằng dung dịch kiềm KOH, có một lượng rất nhỏ ion sắt (Fe) hòa tan trong dung dịch. Bằng cách định kỳ áp dụng điện áp khử yếu trong thời gian ngắn, điện cực Ni sẽ “nghỉ” và tự động thu hút các ion Fe này kết hợp lại trên bề mặt điện cực.

Fe sau khi được gắn lên bề mặt điện cực Ni sẽ tương tác và hình thành lớp xúc tác NiFeOOH – vốn nổi tiếng với khả năng thúc đẩy phản ứng OER. Quan trọng hơn, quá trình này lặp lại liên tục, giúp điện cực “tái tạo” lớp xúc tác khi bị thoái hóa – tạo ra cơ chế tự phục hồi bền vững và kéo dài tuổi thọ cho toàn hệ thống.

Hiệu quả và độ bền vượt trội

Trong các thử nghiệm thực tế, phương pháp EA cho thấy hiệu suất điện phân cao và độ ổn định lâu dài. Một ô điện phân nước ứng dụng kỹ thuật này có thể hoạt động ổn định trong hơn 1.000 giờ ở mật độ dòng điện cao 1 A/cm² – điều kiện thường thấy trong các hệ thống công nghiệp lớn.

Thậm chí, hệ thống còn được mở rộng thử nghiệm trên ô điện phân ba ngăn xếp, mỗi ngăn có diện tích 25 cm², và vẫn duy trì hoạt động ổn định trong vài trăm giờ, chứng minh khả năng ứng dụng thực tế và mở rộng quy mô.

Thành công này giúp xác thực tính khả thi không chỉ ở mức độ phòng thí nghiệm mà còn trong các điều kiện vận hành thực tế, tạo nền tảng cho việc thương mại hóa công nghệ sản xuất hydro xanh với chi phí thấp hơn.

Tiềm năng ứng dụng và triển vọng thương mại

Phương pháp hoạt động EA mở ra nhiều triển vọng cho ngành năng lượng sạch, đặc biệt trong việc:

Giảm chi phí sản xuất hydro xanh: Bỏ qua quy trình sản xuất xúc tác phức tạp và đắt đỏ.

Tăng độ bền và tuổi thọ thiết bị: Cơ chế tự phục hồi giúp duy trì hiệu suất lâu dài.

Đơn giản hóa quy trình kỹ thuật: Sử dụng vật liệu thương mại, không yêu cầu kỹ thuật phủ lớp xúc tác phức tạp.

Thúc đẩy quy mô hóa: Kết quả thử nghiệm cho thấy phương pháp phù hợp với hệ thống điện phân quy mô lớn.

Công nghệ này được kỳ vọng nâng cao năng lực cạnh tranh công nghiệp hydro của Hàn Quốc, đặc biệt trong bối cảnh nước này đặt mục tiêu trở thành quốc gia dẫn đầu về kinh tế hydro vào năm 2050. Trong tương lai, công nghệ này có thể được chuyển giao và áp dụng rộng rãi cho các nhà máy, khu công nghiệp hoặc các quốc gia đang đầu tư mạnh vào năng lượng tái tạo.

Vai trò nền tảng trong mục tiêu trung hòa carbon

Không chỉ dừng lại ở mức giảm chi phí sản xuất hydro, công nghệ điện cực tự phục hồi còn mang tầm vóc chiến lược quốc gia, góp phần quan trọng trong kế hoạch chuyển đổi sang nền kinh tế hydro và trung hòa carbon.

Chính phủ Hàn Quốc đã xác định điện phân nước là một trong 12 công nghệ chiến lược quốc gia, được ưu tiên đầu tư, nghiên cứu và phát triển. Việc sở hữu những công nghệ lõi có tính sáng tạo và tiết kiệm chi phí như EA sẽ giúp nước này tiến gần hơn đến các mục tiêu môi trường, đồng thời tăng cường vị thế trong cuộc cạnh tranh toàn cầu về công nghệ năng lượng sạch.

Sự phát triển của phương pháp hoạt động kích hoạt điện hóa (EA) là minh chứng cho sức mạnh của đổi mới sáng tạo trong giải quyết những bài toán lớn của thời đại. Thay vì tiếp tục phụ thuộc vào các chất xúc tác quý hiếm và đắt đỏ, các nhà khoa học Hàn Quốc đã mở ra một hướng đi mới: sử dụng các vật liệu phổ thông kết hợp với chiến lược vận hành thông minh để duy trì hiệu quả và kéo dài tuổi thọ hệ thống.

Nhờ đó, công nghệ điện cực tự phục hồi không chỉ giúp giảm chi phí sản xuất hydro xanh mà còn mở rộng khả năng ứng dụng thương mại, thúc đẩy ngành năng lượng sạch phát triển bền vững, đồng thời góp phần quan trọng vào công cuộc chuyển đổi năng lượng và hiện thực hóa mục tiêu trung hòa carbon của thế giới.

Nguồn: Tổng hợp