Language
Country/Area
No result found
Một phép màu không cần chất xúc tác kim loại quý: Làm thế nào để điện phân AEM đạt được sản lượng hydro tiết kiệm chi phí?
Khi nhu cầu năng lượng tái tạo trên toàn cầu tăng lên, tiềm năng của hydro như một nguồn năng lượng sạch đã thu hút được nhiều sự chú ý. Tuy nhiên, các phương pháp sản xuất hydro truyền thống thường đòi hỏi chất xúc tác kim loại quý có chi phí cao, điều này phần nào hạn chế việc ứng dụng rộng rãi hydro. Gần đây, sự ra đời của công nghệ điện phân màng trao đổi anion (AEM) đã mở ra con đường mới và tiết kiệm chi phí cho việc sản xuất hydro.
Điện phân AEM là công nghệ sử dụng màng bán thấm để dẫn các ion hydroxide (OH−) nhằm thực hiện quá trình điện phân nước.
Ưu điểm kỹ thuật
Ưu điểm lớn nhất của phương pháp điện phân AEM là nó có thể sử dụng chất xúc tác kim loại chuyển tiếp giá rẻ thay vì chất xúc tác kim loại quý đắt tiền. Điều này trái ngược với phương pháp điện phân màng trao đổi proton (PEM), vốn dựa vào các kim loại hiếm như bạch kim và rutheni làm chất xúc tác, khiến công nghệ PEM không khả thi về mặt kinh tế. Ví dụ, một thiết bị điện phân PEM công suất 100 MW dự kiến sẽ cần 150 kg rutheni, dẫn đến chi phí khoảng 7 triệu đô la.
Các điện cực của máy điện phân AEM có thể hoạt động trong nước tinh khiết hoặc dung dịch hơi kiềm (như KOH/NaOH 0,1-1M), giúp giảm nguy cơ rò rỉ.
So với công nghệ điện phân nước kiềm truyền thống (AWE), điện phân AEM có tính linh hoạt cao hơn và cải thiện việc sử dụng chất xúc tác. Báo cáo nêu rằng yêu cầu về điện áp cho máy điện phân AEM khi hoạt động bằng nguồn nước tinh khiết không có chất xúc tác kim loại quý là 1,8 vôn, trong khi chỉ cần 1,57 vôn khi sử dụng dung dịch KOH 1M. Điều này cho thấy máy điện phân AEM có hiệu suất tiết kiệm năng lượng tốt.
Những thách thức hiện tại
Mặc dù công nghệ điện phân AEM cho thấy tiềm năng to lớn nhưng vẫn phải đối mặt với một số thách thức, đặc biệt là về độ bền. Thông qua khảo sát tài liệu, người ta thấy rằng độ bền của các thiết bị điện phân AEM hiện tại khi không có chất xúc tác kim loại quý chủ yếu tập trung trong khoảng từ 2000 giờ đến 7000 giờ. Điều này tương đối không đủ so với tuổi thọ từ 20.000 đến 80.000 giờ của máy điện phân PEM.
Công nghệ điện phân AEM vẫn đang trong giai đoạn đầu nghiên cứu và phát triển và còn thiếu tài liệu so với công nghệ điện phân PEM thương mại.
Ngoài các vấn đề về độ bền, tính ổn định hóa học của AEM cũng là một mối quan tâm vì nó rất dễ bị tấn công bởi các ion hydroxide. Do đó, nghiên cứu trong tương lai cần tăng cường cải tiến vật liệu màng và tìm kiếm thiết kế AQE giúp tăng độ dẫn điện và khả năng chịu nhiệt độ cao.
Nguyên lý khoa học
Quá trình phản ứng trong điện phân AEM cũng phức tạp không kém. Phản ứng giải phóng oxy (OER) đòi hỏi bốn electron để tạo ra một phân tử oxy. Quá trình nhiều bước của phản ứng này dẫn đến một rào cản năng lượng cao, từ đó làm tăng điện áp quá mức cần thiết cho phản ứng. Ngoài ra, động học của phản ứng giải phóng hydro (HER) trong dung dịch kiềm chậm hơn so với trong dung dịch axit do có thêm bước phân ly proton trong môi trường kiềm.
Triển vọng tương lai
Việc ứng dụng thành công công nghệ điện phân AEM không chỉ đòi hỏi phải cải tiến vật liệu mà còn cần sự hợp tác trong ngành để giải quyết những thách thức hiện tại. Trong quá trình này, việc tìm ra chất xúc tác phù hợp và cải thiện độ bền cũng như tính ổn định của màng sẽ là những yếu tố chính.
Thúc đẩy công nghệ sản xuất hydro hiệu quả cao, chi phí thấp sẽ là cốt lõi của sự phát triển năng lượng bền vững trong tương lai.
Với sự đổi mới liên tục của công nghệ sản xuất hydro, chúng ta có thể dựa vào công nghệ điện phân AEM để định hình lại bối cảnh năng lượng toàn cầu hay không?
