Trong một phòng thí nghiệm tại Đại học Nottingham của Anh, điều gì đó bất ngờ đã xảy ra và nó có thể thay đổi cách nhân loại sản xuất năng lượng sạch, IE đưa tin ngày 3/6.
Dưới sự dẫn dắt của Tiến sĩ Jesum Alves Fernandes, giáo sư tại Trường Hóa học thuộc Đại học Nottingham, nhóm nghiên cứu đã tạo ra các hạt nano chứa vài chục nguyên tử bạch kim và niken.
Phát hiện "đi ngược lại các quy luật nhiệt động lực học thông thường"
Khi đang quan sát những hạt nano cực nhỏ dưới kính hiển vi điện tử, họ phát hiện hai kim loại này bắt đầu tự tách ra khỏi nhau. Không phải tan rã mà là phân ly có kiểm soát, giữ nguyên một ranh giới chung ở cấp độ nguyên tử.
Khoảnh khắc đó là một phát hiện đáng kinh ngạc, "đi ngược lại các quy luật nhiệt động lực học thông thường" - Tiến sĩ Emerson Kohlrausch, nhà nghiên cứu dẫn đầu công trình thực nghiệm tại Đại học Nottingham, cho biết.
Và chính khoảnh khắc bất thường đó lại dẫn đến một chất xúc tác phá kỷ lục cho việc sản xuất hydro xanh từ nước.
Các nhà nghiên cứu người Anh đã phát hiện ra rằng các nguyên tử có thể được trộn lẫn với nhau. Nguồn: Đại học Nottingham
Để ghi lại được cột mốc này, nhóm đã sử dụng tấm graphene mỏng nhất có thể làm giá đỡ hạt nano, đồng thời kiểm soát chính xác năng lượng và mật độ chùm tia điện tử - những điều kiện rất ít nhóm nghiên cứu trên thế giới có thể thực hiện được.
Điều làm cho phát hiện này trở nên đặc biệt là ranh giới nguyên tử giữa bạch kim và niken oxit chính là chìa khóa của hoạt tính xúc tác.
Bạch kim và niken oxit mỗi thứ đảm nhận một chức năng khác nhau trong phản ứng điện phân tách nước, và tiếp xúc nguyên tử trực tiếp cho phép chúng phối hợp với nhau hiệu quả hơn bao giờ hết. Chất xúc tác kết quả đạt tốc độ sản xuất hydro xếp vào nhóm hiệu quả nhất từng được báo cáo cho quá trình điện phân tách nước.
Quan trọng hơn, quá trình này có thể đảo ngược. Bằng cách thay đổi điều kiện thí nghiệm, các vật liệu tách rời có thể tái hợp thành hợp kim rồi lại tách ra nhiều lần - giống như một hệ thống sống. Nhóm nghiên cứu đã so sánh những hạt nano này với các hệ thống sinh học, và từ đó khai thác tính năng động của chúng để ứng dụng vào xúc tác.
Nghiên cứu đã được công bố trên tạp chí Advanced Materials.
Tại sao phát minh này quan trọng với cả thế giới?
Phát minh tại Đại học Nottingham xuất hiện đúng thời điểm ngành hydro xanh toàn cầu đang đứng trước một thách thức sống còn: Chi phí.
Hydro xanh - tức hydro được tạo ra bằng cách điện phân nước với điện từ năng lượng tái tạo - là một trong những lời hứa lớn nhất của quá trình chuyển đổi năng lượng thế kỷ 21.
Hydro xanh rất quan trọng trong các lĩnh vực công nghiệp, giao thông vận tải và sản xuất điện.
So với hydro xám sản xuất từ nhiên liệu hóa thạch, hydro xanh có thể giảm tới 95% lượng phát thải CO₂. Mỗi kilogram hydro xanh thay thế cho hydro thông thường tương đương với việc tránh thải ra khoảng 10 kg CO₂ vào khí quyển.
Báo cáo "Thị trường hydro xanh (2026 - 2033)" của Grandviewresearch cho thấy, thị trường hydro xanh toàn cầu được ước tính đạt 11,86 tỷ USD vào năm 2025 và dự kiến sẽ bùng nổ đạt 115,35 tỷ USD vào năm 2033 - tăng trưởng với tốc độ CAGR 30,2% từ năm 2026 đến năm 2033.
Sự tăng trưởng này chủ yếu được thúc đẩy bởi việc ngày càng nhiều doanh nghiệp sử dụng hydro xanh như một nguồn năng lượng sạch và không phát thải carbon trong các lĩnh vực công nghiệp, giao thông vận tải và sản xuất điện.
Tuy nhiên, rào cản lớn nhất vẫn là giá thành. Hiện nay hydro xanh có giá khoảng 5 USD/kg, đắt hơn nhiều so với hydro từ khí tự nhiên. Mục tiêu toàn ngành là đưa chi phí xuống dưới 2 USD/kg vào năm 2030 và dưới 1 USD/kg trước năm 2040.
Để làm được điều đó, hai yếu tố quyết định: giá điện tái tạo phải tiếp tục giảm, và hiệu suất của bộ điện phân - đặc biệt là chất xúc tác - phải được cải thiện đột phá.
Đây chính là lý do tại sao phát hiện của nhóm chuyên gia tại Đại học Nottingham lại có ý nghĩa lớn đến vậy.
Chất xúc tác tốt hơn đồng nghĩa với ít năng lượng hơn để sản xuất cùng một lượng hydro, đồng nghĩa với chi phí thấp hơn, và cuối cùng là hydro xanh có thể cạnh tranh thực sự với các nguồn nhiên liệu thông thường trên thị trường mở.
Từ phòng thí nghiệm đến thế giới thực
Dĩ nhiên, khoảng cách từ một phát hiện khoa học đến ứng dụng công nghiệp quy mô lớn không bao giờ là nhỏ. Nhưng hướng đi mà nhóm Nottingham mở ra - thiết kế chất xúc tác thích ứng, có thể tự tái cấu trúc dưới điều kiện vận hành - là một chiến lược hoàn toàn mới.
Thay vì tối ưu hóa một cấu trúc cố định, người ta có thể khai thác tính năng động của vật liệu ở cấp độ nguyên tử để tạo ra các chất xúc tác tự điều chỉnh theo nhu cầu phản ứng.
"Điều này mở ra một chiến lược mới để thiết kế các chất xúc tác thích ứng cho nhiều ứng dụng rộng hơn," Tiến sĩ Fernandes nhấn mạnh.
Ngoài hydro, phương pháp này còn có thể ảnh hưởng đến thiết kế xúc tác cho chuyển đổi năng lượng hiệu quả, sản xuất hóa chất và các ứng dụng công nghiệp bền vững.
Trong cuộc đua toàn cầu để biến hydro xanh từ lời hứa thành hiện thực, mỗi bước tiến ở cấp độ nguyên tử đều có thể làm thay đổi phương trình kinh tế của cả một ngành công nghiệp. Và lần này, sự thay đổi đó bắt đầu từ khoảnh khắc hai kim loại tự tách nhau ra - rồi lại tìm về nhau - dưới ánh mắt kinh ngạc của những nhà khoa học tại Nottingham.
Trang Ly
