Vật liệu thay thế kim loại hiếm trong các phản ứng phân tách oxy

Công trình nghiên cứu được công bố ngày 24/2/ 2022, trên tạp chí Nature Materials, trong một bài báo của MIT do nghiên cứu sinh sau TS Shuai Yuan, nghiên cứu sinh Jiayu Peng, GS Yang Shao-Horn, GS Yuriy Román-Leshkov và 9 nhà khoa học khác.

Trong các phản ứng phân tách oxy,  những chất xúc tác đều chế tạo trên cơ sở các vật liệu đắt tiền hoặc các kim loại chuyển tiếp muộn rất khan hiếm, như oxit iridi. Các nhà khoa học rất nỗ lực tìm kiếm các giải pháp thay thế, sử dụng các vật liệu dồi dào trên Trái đất có cùng chức năng hoạt động và sự ổn định, Nhóm nghiên cứu đã tìm thấy vật liệu cung cấp chính xác sự kết hợp những đặc điểm đó.

Những nhóm nghiên cứu khác đã khám phá việc sử dụng các hydroxit kim loại, như hydroxit niken-sắt. Nhưng những vật liệu như vậy rất khó điều chỉnh theo yêu cầu của những ứng dụng cụ thể. Nhưng nhóm nghiên cứu MIT đã tìm ra cách điều chỉnh các đặc tính bằng giải pháp thiết kế cấu trúc nano các hydroxit kim loại này một cách độc đáo.

Nhóm nhà khoa học đã thực hiện với nhóm hợp chất liên quan được gọi là khung kim loại-hữu cơ ( MOF ), một cấu trúc tinh thể được tạo ra từ các nút oxit kim loại liên kết với nhau bằng các phân tử liên kết hữu cơ. Các nhà khoa học nhận thấy, thay thế oxit kim loại trong những vật liệu đó bằng một số hydroxit kim loại nhất định sẽ tạo ra các vật liệu có thể điều chỉnh chính xác đồng thời có độ ổn định cần thiết để làm chất xúc tác.

Phản ứng điện hóa, tách các phân tử nước thành các phân tử oxy trong cấu trúc của khung hữu cơ hydroxit kim loại thuộc mạng tinh thể trên và dưới.

Theo nhóm nghiên cứu, đặt các chuỗi liên kết hữu cơ này bên cạnh nhau, hình thành các tấm hydroxit kim loại liên kết với nhau bằng các liên kết hữu cơ, những tấm này được xếp chồng lên nhau và có độ ổn định cao hơn. Cấu trúc này cho phép kiểm soát chính xác các mẫu cấu trúc nano, các đặc tính điện tử của kim loại, có được sự ổn định cao hơn, tồn tại trong thời gian dài sử dụng.

Trong thử nghiệm, hiệu suất của các chất xúc tác rất cao, có thể so sánh với vật liệu oxit xúc tác hiện đại nhất cho phản ứng phân tách oxy. Chất xúc tác có cấu tạo phần lớn từ niken và sắt, rẻ hơn 100 lần so với những chất xúc tác hiện có và cho phép giảm năng lượng đầu vào do có thể điều chỉnh chính xác cho bất kỳ quá trình hóa học nào cần các chất xúc tác.

Các vật liệu này cũng có thể được sản xuất ở dạng tấm cực mỏng, sau đó được phủ lên vật liệu khác, làm giảm hơn nữa chi phí vật liệu cho các hệ thống phân tách điện hóa.

Các vật liệu đã được thử nghiệm trong các thiết bị quy mô nhỏ trong phòng thí nghiệm, nhóm nghiên cứu hiện đang nghiên cứu giải quyết các vấn đề mở rộng quy trình lên quy mô thương mại.