Các nhà nghiên cứu vừa phát triển một loại chất xúc tác mới từ phế phẩm thực vật tái tạo, hứa hẹn thúc đẩy mạnh mẽ quá trình sản xuất hydro sạch. Vật liệu này sử dụng sợi carbon làm từ lignin kết hợp với các hạt nano oxit niken và oxit sắt, giúp cải thiện đáng kể hiệu suất và độ bền trong quá trình điện phân nước.
Lignin là một trong những polyme tự nhiên dồi dào nhất, thường là phụ phẩm bị bỏ đi từ ngành công nghiệp giấy và nhà máy lọc sinh học. Thay vì đốt bỏ để thu về nhiệt lượng thấp, các nhà khoa học tại Đại học Công nghệ Quảng Đông đã chuyển đổi nó thành sợi carbon thông qua kỹ thuật phun tĩnh điện (electrospinning) và xử lý nhiệt.
Cấu trúc này tạo ra một khung xương carbon dẫn điện cực tốt, đóng vai trò làm giá đỡ cho các hạt oxit kim loại. Chất xúc tác mới được đặt tên là NiO/Fe_3O_4LCFs.
Trong điện phân nước, phản ứng giải phóng oxy (OER) thường là rào cản lớn nhất vì nó diễn ra chậm và tiêu tốn nhiều năng lượng. Tuy nhiên, theo nghiên cứu công bố trên tạp chí Biochar X, chất xúc tác từ lignin này đã giải quyết được vấn đề đó:
- Quá thế thấp: Chỉ cần 250 mV để đạt được mật độ dòng điện 10 mA/cm^2.
- Độ bền ấn tượng: Hoạt động ổn định liên tục trong hơn 50 giờ ở mật độ dòng điện cao.
- Chi phí thấp: Đây là giải pháp thay thế hoàn hảo cho các kim loại quý hiếm và đắt tiền (như Iridium hay Ruthenium) thường dùng trước đây.
“Công việc của chúng tôi cho thấy chất xúc tác từ lignin không chỉ hoạt động mạnh mẽ mà còn có độ bền đặc biệt, mở ra con đường kinh tế hơn để sản xuất hydro quy mô lớn,” tác giả Yanlin Qin chia sẻ.
Khi quan sát dưới kính hiển vi, các nhà khoa học phát hiện oxit niken (NiO) và oxit sắt (Fe_3O_4) tạo thành một tiếp giáp dị thể (heterojunction) kích thước nano bên trong sợi carbon.
Cấu trúc này giúp:
- Tối ưu hóa liên kết: Các phân tử trung gian trong phản ứng bám dính và tách rời ở tốc độ lý tưởng nhất.
- Tăng tốc độ truyền điện tích: Mạng lưới carbon pha tạp nitơ giúp các electron di chuyển nhanh hơn.
- Chống kết tụ: Khung sợi carbon ngăn các hạt oxit kim loại vón cục lại với nhau – một vấn đề phổ biến làm giảm tuổi thọ của các chất xúc tác thông thường.
Việc sử dụng sinh khối (biomass) có sẵn trên toàn thế giới để tạo ra vật liệu năng lượng không chỉ giúp giảm chi phí sản xuất hydro mà còn phù hợp với nỗ lực toàn cầu về bảo vệ môi trường.
Tác giả Xueqing Qiu nhấn mạnh: “Mục tiêu của chúng tôi là tạo ra một chất xúc tác không chỉ hiệu quả mà còn có thể mở rộng quy mô sản xuất công nghiệp dựa trên nguồn nguyên liệu bền vững.”
Phương pháp này có thể được áp dụng cho nhiều tổ hợp kim loại khác nhau, mở ra cơ hội thiết kế các thế hệ chất xúc tác điện hóa tiếp theo từ tài nguyên thiên nhiên dồi dào.
