Đi tìm nguồn cho khai thác hydro xanh

Chất xúc tác mới cung cấp một cách hợp lý hơn để sản xuất hydro từ nước biển

Trong những năm gần đây, hydro đã thu hút sự chú ý trên toàn cầu như một nguồn năng lượng sạch tiềm năng vì nó cháy mà không tạo ra khí thải gây hại cho khí hậu. Tuy nhiên, các phương pháp sản xuất hydro truyền thống có lượng khí thải carbon đáng kể, trong khi những phương pháp sạch hơn rất tốn kém cũng như phức tạp về mặt kỹ thuật.

Hiện giới nghiên cứu khoa học mới đây báo cáo một tiến bộ đáng kể - đó là chất xúc tác hai điện cực dựa vào một hợp chất để tạo rahydro và oxy một cách hiệu quả từ cả nước biển và nước ngọt. Những nỗ lực trước đây đối với các chất xúc tác đa chức năng như vậy để tách nước thành hydro và oxy thường dẫn đến hiệu suất kém. Sử dụng hai chất xúc tác riêng biệt có tác dụng làm tăng chi phí sản xuất chất xúc tác.

Nhóm nhà nghiên cứu Đại học Houston, Đại học Trung Quốc Hong kong và Đại học Sư phạm Trung Quốc báo cáo về kế hoạch sử dụng hợp chất niken/ molypden/ nitơ, được tinh chỉnh với một lượng nhỏ sắt và phát triển trên bọt niken để sản xuất hydro một cách hiệu quả và sau đó, thông qua quá trình tái tạo điện hóa được tạo ra bởi điện áp chu kỳ, được chuyển đổi thành một hợp chất tạo ra phản ứng tiến hóa oxy mạnh mẽ.

Nhóm nhà nghiên cứu cho biết việc sử dụng hợp chất duy nhất cho cả phản ứng tiến hóa hydro (HER) và phản ứng tiến hóa oxy (OER) - có thay đổi một chút trong quá trình tái tạo - không chỉ làm cho việc tách nước trở nên hợp lý hơn mà còn đơn giản hóa mọi thách thức kỹ thuật. Hầu hết vật liệu phù hợp nhất cho HER hoặc OER, nhưng cả hai phản ứng đều cần thiết để hoàn thành phản ứng hóa học và tạo ra hydro từ nước.

Zhifeng Ren, giám đốc Trung tâm Siêu dẫn Texas, Đại học Houston (TcSUH), cho biết, chất xúc tác mới không chỉ cho phép hoạt động hiệu quả với một chất xúc tác duy nhất mà còn hoạt động tốt như nhau trong nước biển cũng như nước ngọt. Hiệu suất mạnh mẽ của chất xúc tác trong nước biển có thể giải quyết một vấn đề: hầu hết các chất xúc tác hiện có hoạt động tốt nhất trong nước ngọt.

Việc tách nước biển phức tạp hơn, một phần là do sự ăn mòn liên kết với muối và số khoáng chất khác. Ren nhận định chất xúc tác mới cũng tạo ra oxy tinh khiết, tránh sản phẩm phụ tiềm ẩn của khí clo ăn mòn do một số chất xúc tác tạo ra. Shuo Chen, phó giáo sư vật lý tại UH, báo cáo mật độ dòng điện mạnh được báo cáo của chất xúc tác ở điện áp tương đối thấp giúp giảm chi phí năng lượng sản xuất hydro.

Nhưng đó chỉ là một cách chất xúc tác giải quyết khả năng chi trả - Chen, người cũng là điều tra viên chính của TcSUH, cho biết thêm. Bằng cách sử dụng một vật liệu - hợp chất niken/molypden/nitơ đã được tinh chỉnh bằng sắt - cho HER và sau đó sử dụng điện áp chu kỳ kích hoạt quá trình tái tạo điện hóa để tạo ra một vật liệu hơi khác, một oxit sắt/molypden/niken, cho OER; Chen cho biết nhóm nhà nghiên cứu loại bỏ sự cần thiết của chất xúc tác thứ hai trong khi cũng đơn giản hóa mọi yêu cầu kỹ thuật. Chen giải thích: “Nếu bạn chế tạo một thiết bị với hai vật liệu khác nhau trên hai điện cực, bạn phải tìm ra cách điện tích có thể chạy qua mỗi điện cực và thiết kế cấu trúc phù hợp”.

Khai thác nguồn nước không truyền thống để tăng hydro xanh

Sản xuất hiệu quả năng lượng hydro xanh trên quy mô lớn là rất quan trọng nhằm giúp giảm sử dụng nhiên liệu carbon. Tuy nhiên, việc thực hiện quá trình chuyển đổi này rất khó khăn vì có nhiều thách thức trong việc vận chuyển cũng như phân phối hydro.

Một nhóm nhà nghiên cứu Đại học Yale (Mỹ) đưa ra cách tiếp cận mới: Sử dụng điện phân tạo rahydro từ nước thải và nguồn phi truyền thống khác tại những địa điểm gần với nơi hydro sẽ được tiêu thụ. Khoảng 95% hydro được tạo ra từ nhiên liệu hóa thạch. Tìm nguồn nước tốt để sử dụng thay thế có thể là một chặng đường dài cho phép giảm thiểu điều đó.

Lea Winter, phó giáo sư về kỹ thuật hóa học và môi trường Đại học Yale và đồng thời là tác giả chính của nghiên cứu, cho biết: “Chúng tôi có tất cả những nguồn chưa được sử dụng này - nước thải đã qua xử lý, nước thải khai thác tài nguyên, nước thải công nghiệp mà chúng tôi có thể xử lý. Chúng tôi không muốn sử dụng chúng để làm nước uống, nhưng có thể sử dụng chúng cho một số mục đích khác và điều đó giúp tiết kiệm nước sinh hoạt, điều này đặc biệt quan trọng đối với những khu vực khan hiếm nước”.

Một cách để giải quyết vấn đề là thông qua điện phân, một kỹ thuật sử dụng điện để tách nước thành các thành phần oxy và hydro. Hầu hết các quá trình hóa học hoạt động hiệu quả hơn ở quy mô lớn hơn. Tuy nhiên, vì phản ứng trong quá trình điện phân chỉ xảy ra ở bề mặt điện cực nên quy mô không phải là một yếu tố quan trọng. Điều đó mở ra tiềm năng sử dụng hiệu quả những nguồn nước nhỏ hơn và phi tập trung – ví dụ như nước thải đô thị.

Cơ sở hạ tầng phân tán hơn đặc biệt thuận lợi ở những nơi khan hiếm nước hơn, vì nó tránh được việc khai thác nguồn nước uống. Và việc tạo ra hydro tại nhiều địa điểm nhỏ hơn thay vì tại một trung tâm có nghĩa là có ít hoạt động vận chuyển hơn - một trong những chi phí lớn trong việc phân phối hydro.

Winter bình luận: “Khi bạn đi được khoảng 40 km, hơn một nửa lượng khí thải CO2 trong toàn bộ quá trình đến từ phương tiện giao thông. Điều đó làm nổi bật lý do tại sao chúng tôi có thể muốn giữ điều này ở quy mô nhỏ hơn. Để làm được điều đó, chúng tôi muốn sử dụng những nguồn nước phi truyền thống và phi tập trung”.

Nhóm nhà nghiên cứu cho rằng việc khai thác những nguồn này hứa hẹn một nguồn năng lượng dồi dào. Ví dụ, việc chiết xuất hydro từ một nhà máy xử lý nước thải đô thị hạng trung cho phép tạo ra nhiều năng lượng hydro được lưu trữ hơn so với một nhà máy điện hạt nhân. Ở quy mô lớn hơn - ví dụ như nhà máy bán dẫn hoặc nhà máy bê tông - lợi nhuận thu được thậm chí còn lớn hơn.

Winter phân tích thêm: “Năng lượng mà chúng ta có thể nhận được từ hoạt động chiết xuất hydro từ nước đó sẽ nhiều hơn lượng năng lượng mà mọi phương tiện giao thông trên đường của Mỹ tiêu thụ trên đường hàng năm, hoặc nhiều hơn năng lượng của đập Tam Hiệp của Trung Quốc. Nếu chúng ta tìm đến các nguồn nước khác nhau và tận dụng mọi công nghệ xử lý nước đã có, thì vấn đề là chúng ta lấy nước từ đâu để tạo ra hydro”.

Tạo ra hydro xanh từ sinh khối - một nguồn năng lượng tái tạo dồi dào

Một công nghệ sáng tạo để sản xuất hydro từ sinh khối đã được phát triển bởi một nhóm nhà nghiên cứu từ Viện Khoa học Ấn Độ (IISc). Nhóm được dẫn đầu bởi S. Dasappa, Giáo sư tại Trung tâm Công nghệ bền vững, và Chủ tịch Trung tâm Nghiên cứu Năng lượng Liên ngành tại IISc.

Theo Dasappa, Ấn Độ sử dụng gần 5 triệu tấn hydro cho các quy trình khác nhau trong những lĩnh vực khác nhau và thị trường hydro dự kiến tăng trưởng đáng kể trong những năm tới. Nhưng hầu hết hydro mà chúng ta sử dụng hiện nay đều đến từ nhiên liệu hóa thạch thông qua quá trình được gọi là lộ trình chuyển hóa khí mê-tan hơi nước. Giờ đây, nhóm của Dasappa đã tìm ra cách chiết xuất hydro xanh từ sinh khối-  một nguồn năng lượng tái tạo.

Quá trình này bao gồm hai bước. Trong bước đầu tiên, sinh khối được chuyển đổi thành khí tổng hợp - một hỗn hợp khí nhiên liệu giàu hydro - trong lò phản ứng mới sử dụng oxy và hơi nước. Trong bước thứ hai, hydro tinh khiết được tạo ra từ khí tổng hợp bằng cách sử dụng thiết bị tách khí áp suất thấp được phát triển trong nước.

Cả hai công nghệ này được phát triển trong phòng thí nghiệm của Dasappa, đảm bảo rằng quy trình này là phương pháp tạo hydro xanh hiệu quả cao - nó tạo ra 100g hydro từ 1kg sinh khối. Kết quả là do trong quá trình này, hơi nước - cũng chứa hydro - tham gia vào cả phản ứng đồng thể và phản ứng dị thể (trong phản ứng đồng thể, chất phản ứng ở một giai đoạn; trong khi trong phản ứng dị thể, chất phản ứng ở hai hoặc nhiều giai đoạn).

Việc sản xuất hydro xanh bằng cách sử dụng quy trình này thân thiện với môi trường vì một lý do khác - đó là carbon âm. Hai sản phẩm phụ dựa trên carbon là carbon rắn, đóng vai trò như một bể chứa carbon và carbon dioxide, có thể được sử dụng trong những sản phẩm giá trị gia tăng khác. Dasappa cho biết thêm công nghệ này cũng kết hợp tốt với Lộ trình Năng lượng Hydrogen Quốc gia - một sáng kiến của Chính phủ Ấn Độ nhằm thúc đẩy sử dụng hydro làm nhiên liệu và giảm sự phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch.

Dự án được hỗ trợ bởi Bộ Năng lượng Mới & Tái tạo và Bộ Khoa học & Công nghệ của Chính phủ Ấn Độ. Nhóm nghiên cứu cũng ghi nhận sự hỗ trợ từ Tập đoàn dầu mỏ Ấn Độ (Indian Oil Corporation Limited) trong dự án mở rộng quy mô công nghệ sản xuất 0,25 tấn hydro mỗi ngày để sử dụng trong xe buýt chạy bằng pin nhiên liệu hydro.

Dasappa tin rằng hydro xanh cũng có thể được sử dụng trong một số ngành công nghiệp khác - trong ngành thép để khử carbon trong thép, trong nông nghiệp để sản xuất phân bón xanh và trong nhiều lĩnh vực hiện đang sử dụng hydro được sản xuất từ nhiên liệu hóa thạch. Dasappa cho biết thêm: “Hơn nữa, cùng một nền tảng có thể được sử dụng để sản xuất metanol và etanol”.