Ảnh minh họa: AI

Là một chất mang năng lượng tiềm năng, thế nhưng việc lưu trữ và vận chuyển khí Hydro vẫn đang là một thách thức lớn. Trong khi đó, dù amoniac (NH3) được xem là một chất lỏng mang hydro đầy triển vọng nhưng quá trình thu hồi hydro từ amoniac thường cần nhiệt độ cao và các bước tinh chế bổ sung.

Mới đây, các nhà nghiên cứu tại Viện Công nghệ Massachusetts (MIT) đã phát triển một phương pháp điện hóa nhằm giải quyết đồng thời hai vấn đề này.

Theo kết quả nghiên cứu được công bố trên tạp chí Nature, phương pháp mới sử dụng điện năng để thúc đẩy quá trình khử hydro từ amoniac, đồng thời tách và cô đặc hydro thành một dòng khí có độ tinh khiết cao. Cách tiếp cận này có thể giảm đáng kể nhiệt độ và năng lượng cần thiết so với phương pháp truyền thống.

Ông Yogesh Surendranath, giáo sư Hóa học và Kỹ thuật hóa học tại MIT, cho biết nghiên cứu mới đã chứng minh được khả năng dùng điện hóa để thúc đẩy những phản ứng khử hydro vốn bất lợi về mặt nhiệt động lực học và khó khăn về mặt động học.

Quy trình tách hydro bằng điện hóa

Khí hydro hiện được sử dụng khá phổ biến trong sản xuất bán dẫn, chế biến hóa chất và các tế bào nhiên liệu. Tuy nhiên do khó vận chuyển hiệu quả dưới dạng khí, hydro có thể được lưu trữ dưới dạng hóa học trong những hợp chất dễ hóa lỏng, sau đó giải phóng tại nơi cần sử dụng.

Amoniac là một trong những lựa chọn đáng chú ý vì chất này đã được sản xuất và vận chuyển trên quy mô lớn. Vấn đề nằm ở quá trình thu hồi hydro. Phương pháp truyền thống thường cần nhiệt độ trên 500 độ C để đạt tốc độ phản ứng và hiệu suất chuyển đổi cao. Hỗn hợp khí tạo ra sau đó vẫn phải được xử lý để loại bỏ nitơ và amoniac chưa phản ứng.

Phương thức mới của nhóm MIT đã kết hợp một màng tách hydro bằng paladi với điện cực tạo hydro thông qua chất điện phân hydroxide nóng chảy. Màng paladi cho phép hydro đi qua có chọn lọc, đồng thời ngăn các thành phần khác trong hỗn hợp phản ứng.

Trong hệ thống này, amoniac trước tiên được khử hydro nhờ chất xúc tác chứa ruthenium và cesium. Hydro sau đó tiếp xúc với màng tách. Điện thế được tạo ra dọc theo màng tạo một lực đẩy mạnh, giúp hydro liên tục đi qua màng.

Trong quá trình đó, hydro được chuyển thành proton và electron. Proton di chuyển qua chất điện phân nóng chảy, còn electron đi qua mạch điện bên ngoài. Hai thành phần sau đó tái hợp tại điện cực thứ hai để tạo thành khí hydro.

Nhờ khả năng tách hydro ngay trong quá trình phản ứng, hệ thống có thể tạo ra dòng hydro cô đặc mà không cần thêm một công đoạn tinh chế ở phía sau.

Đặc biệt, việc liên tục loại bỏ hydro khỏi môi trường phản ứng còn giúp thúc đẩy quá trình khử hydro diễn ra thuận lợi hơn. Nhờ vậy, phương pháp có thể hoạt động ở khoảng 200-300 độ C, thấp hơn đáng kể so với phương thức truyền thống.

Ông Curtis Berlinguette, giáo sư Hóa học và Kỹ thuật hóa sinh tại Đại học British Columbia, người không tham gia nghiên cứu, đánh giá đây là một cách tiếp cận mới để giải quyết bài toán thu hồi hydro tinh khiết từ amoniac và các chất mang hydro khác.

Theo ông, việc sử dụng điện để kéo hydro qua màng ngay khi hydro được giải phóng vừa thúc đẩy quá trình khử hydro, vừa tạo ra dòng hydro đã được tinh chế. Đây có thể là một bước tiến quan trọng trong việc vận chuyển hydro dưới dạng các hợp chất hóa học ổn định và giải phóng tại nơi cần thiết.

Hướng tới ứng dụng trong giao thông và công nghiệp

Ngoài amoniac, nhóm nghiên cứu cũng cho thấy phương pháp mới này có thể khử hydro từ methylcyclohexane, một chất thuộc nhóm chất mang hydro hữu cơ dạng lỏng (LOHC).

Các nhà khoa học cho rằng công nghệ này có tiềm năng ứng dụng trong giao thông vận tải, chẳng hạn cung cấp hydro cho ô tô, xe buýt và tàu thủy. Dòng hydro tinh khiết cũng có thể phục vụ ngành sản xuất bán dẫn và thiết bị điện tử, trong đó hydro được sử dụng ở một số công đoạn để cải thiện năng suất và hạn chế khiếm khuyết trên bề mặt.

Tuy nhiên, công nghệ này vẫn cần được tiếp tục hoàn thiện trước khi có thể triển khai ở quy mô lớn. Bên cạnh đó, Paladi được sử dụng trong màng tách là kim loại đắt tiền nên nhóm nghiên cứu cũng đang tìm cách giảm lượng paladi cần thiết.

Các nhà khoa học đồng thời nghiên cứu khả năng mở rộng quy mô hệ thống và áp dụng nguyên lý điện hóa này cho những phản ứng khử hydro khác có tiềm năng phục vụ công nghiệp.