Hydrogen Xanh, nhiên liệu tương lai: Ứng dụng điện hóa để phát triển chất xúc tác mới cho sản xuất hydrogen

Vấn đề ô nhiễm không khí và hiệu ứng nhà kính đang là mối quan tâm lớn trên toàn thế giới. "Hydrogen xanh" (Green Hydrogen) được xem như nhiên liệu sạch, bền vững và dự kiến sẽ trở thành năng lượng trong tương lai. Sử dụng Hydrogen xanh được sản xuất bằng nguồn năng lượng tái tạo sẽ giúp giảm thiểu sự nóng lên toàn cầu do sử dụng nhiên liệu sạch hơn. Bài viết này sẽ cung cấp cho bạn kiến thức sử dụng thiết bị điện hóa để ứng dụng và phát triển sản xuất hydrogen xanh.

Nội dung của bài viết bao gồm:

1. Sản xuất Hydrogen xanh bằng điện phân

2. Yêu cầu đối với chất xúc tác phù hợp

2.1 Hoạt động

a. Phân cực tuyến tính

b. Phân tích Tafel

c. Phân tích Koutecký và Levich

d. Phân tích trở kháng

2.2 Sự ổn định

a. Phương pháp thời gian (chronoamperometry (dòng - thời gian) và chronopotentiometry (thế - thời gian)

b. Von-Ampe tuần hoàn (CV)

2.3 Hiệu quả

1. Sản xuất Hydrogen xanh bằng điện phân

Cách thuận lợi nhất để sản xuất Hydro xanh là thông qua quá trình điện phân tách nước, trong đó nước (H₂O) được phân tách tạo hyro và oxy bằng cách sử dụng dòng điện một chiều. Điện phân là một kỹ thuật phức tạp đã được sử dụng trong nhiều thập kỷ trong công nghiệp. Khi sử dụng kỹ thuật này để sản xuất hydro, nhược điểm là động học phản ứng chậm khi sử dụng chất xúc tác rẻ tiền hoặc chi phí cao cho chất xúc tác tối ưu hơn (ví dụ: platinum). Để sản xuất hydro một cách hiệu quả và tiết kiệm, mục tiêu của các nhà nghiên cứu trên khắp thế giới là phát triển các chất xúc tác cho mục đích này có hoạt tính cao, rẻ tiền và ổn định trong thời gian dài..

Tìm hiểu thêm về thiết bị điện hóa Metrohm

Phản ứng điện cực

Xét các dung dịch kiềm, phản ứng tách nước có thể được mô tả bằng hai nửa phản ứng (Hình 1):

• Hydrogen Evolution Reaction (HER) ở cực âm
• Oxygen Evolution Reaction (OER) ở cực dương

Một vấn đề quan trọng đối với quá trình tách nước là động học phản ứng chậm của nửa phản ứng. Để khắc phục điều này, cần phải thiết kế các chất xúc tác điện làm giảm năng lượng kích hoạt xuống một giá trị chấp nhận được. Đối với chất xúc tác lý tưởng, điện áp 1.23 V (ở 20 °C và 1013 mbar) sẽ phải được áp dụng để bắt đầu quá trình chuyển hóa hydro và oxy giữa các điện cực. Tuy nhiên, khi sử dụng chất xúc tác trong thực tế, cần áp dụng điện áp trên 1,8 V.

2. Yêu cầu đối với chất xúc tác phù hợp

Ba tính chất đầu tiên có thể được xác định bằng các kỹ thuật điện hóa thông qua các thiết bị.

2.1 Hoạt động

Hoạt động của chất xúc tác được đặc trưng bởi ba giá trị:

• quá thế            

• độ dốc Tafel

• mật độ dòng điện trao đổi

có thể thu được từ đường cong phân cực như trong Hình 2.

a. Phân cực tuyến tính

Để ghi lại đường cong phân cực (Hình 2), thiết bị điện hóa được sử dụng kết hợp với một hệ đo ba điện cực. Điện cực làm việc được phủ chất xúc tác cần nghiên cứu. Một thiết lập điển hình cho mục đích này được thể hiện trong Hình 3.

b. Phân tích Tafel

Bên cạnh quá thế, độ dốc Tafel và mật độ dòng trao đổi là hai tham số bổ sung giúp mô tả hoạt động của chất xúc tác. Chúng có thể được thể hiện bằng cách vẽ logarit của mật độ dòng động học so với quá thế để tạo ra cái gọi là «đồ thị Tafel» (Hình 5).

Độ dốc Tafel có liên quan đến cơ chế phản ứng xúc tác về phương diện động học chuyển electron. Ví dụ, động học phản ứng điện xúc tác nhanh hơn dẫn đến độ dốc Tafel nhỏ hơn thể hiện trong sự gia tăng mật độ dòng điện đáng kể như một hàm của sự thay đổi quá thế (Hình 6).

c. Phân tích Koutecký và Levich

Mật độ dòng điện trao đổi (i kin₀) mô tả sự truyền điện tích trong điều kiện cân bằng. Mật độ dòng điện trao đổi cao hơn có nghĩa là tốc độ truyền điện tích cao hơn và rào cản phản ứng thấp hơn. Như đã giải thích trước đó trong bài viết này, để có chất xúc tác điện tốt hơn, độ dốc Tafel thấp hơn và mật độ dòng điện trao đổi cao hơn được mong đợi.

Khi thực hiện các thí nghiệm thực tế, truyền khối là yếu tố hạn chế ở những quá thế cao hơn (Hình 5) dẫn đến độ dốc phi tuyến của Tafel plot.

Để khắc phục các tác động không mong muốn của truyền khối (ví dụ: khuếch tán), một điện cực đĩa quay (RDE) (Hình 3) được sử dụng. Do đó, tín hiệu hiện tại được đo ở các tốc độ quay khác nhau. Từ tập dữ liệu này, có thể trích xuất dòng động học thuần túy (i kin₀) theo Koutecký và Levich (Hình 6).

Bạn có thể tìm thêm thông tin về phân tích Koutecký và Levich bằng cách tải xuống Ghi chú ứng dụng miễn phí của chúng tôi: 

Oxygen Reduction Reaction with the Rotating Ring Disk Electrode

d. Phân tích trở kháng

Một kỹ thuật đo lường khác có thể được sử dụng để xác định động học phản ứng của chất xúc tác: quang phổ trở kháng điện hóa hay còn gọi là phổ tổng trở (EIS). Một trong những ưu điểm quan trọng nhất của phổ tổng trở là nó là một kỹ thuật đo không phá hủy và không xâm lấn. Điều này cho phép các phép đo liên tiếp được thực hiện trên cùng một mẫu, chẳng hạn như thí nghiệm ở các nhiệt độ khác nhau hoặc ở mật độ dòng điện khác nhau. Ngoài ra, hiệu ứng lão hóa của chất xúc tác có thể dễ dàng được xác định theo cách này.

Quang phổ trở kháng là một kỹ thuật dòng điện xoay chiều (AC), trong đó điện áp xoay chiều có biên độ rất nhỏ vài milivolt được đặt vào điện cực đáp ứng với dòng điện xoay chiều. Các giá trị của tín hiệu điện áp đặt và các giá trị của tín hiệu dòng điện tương ứng được sử dụng để tính điện trở AC — trở kháng. Một dải tần số rộng được đặt vào và điều này cho phép xác định các quá trình động học và di chuyển diễn ra trên điện cực theo các thang thời gian khác nhau.

Hiển thị quang phổ trở kháng trong đồ thị Nyquist (Hình 7) thể hiện điện trở chuyển điện tích của phản ứng dưới dạng bán cầu. Đường kính của bán cầu này tương ứng với động học phản ứng: đường kính càng nhỏ, động học của phản ứng càng nhanh.

Quang phổ trở kháng điện hóa không chỉ cung cấp thông tin động học cho các nhà nghiên cứu, nó còn cung cấp cái nhìn sâu sắc về hiệu ứng truyền khối và độ dẫn điện của chất điện phân và màng.

Để tìm hiểu thêm về EIS, hãy xem Ghi chú ứng dụng miễn phí của chúng tôi.Ví dụ về đồ thị Nyquist của hai chất xúc tác khác nhau với các hoạt động khác nhau

Application Notes about Electrochemical Impedance Spectroscopy

2.2 Sự ổn định

Đối với sử dụng công nghiệp, chất xúc tác nên thể hiện tốc độ suy thoái cực thấp. Nó cần phải ổn định trong nhiều giờ hoạt động. Ở giai đoạn phát triển, sự ổn định là một yếu tố quan trọng để xác định xem chất xúc tác có tiềm năng sử dụng trong các ứng dụng thực tế hay không. Sự ổn định có thể được đặc trưng bởi những thay đổi của quá áp hoặc dòng điện theo thời gian bằng cách sử dụng chronoamperometry, chronopotentiometry và voltammetry tuần hoàn. Chúng được mô tả trong các phần sau.

a. Phương pháp thời gian (chronoamperometry (dòng - thời gian) và chronopotentiometry (thế - thời gian)

b. Von-Ampe tuần hoàn (CV)

Von-Ampe tuần hoàn là một kỹ thuật đo mật độ dòng điện bằng cách quét vòng điện thế của điện cực làm việc tuyến tính so với thời gian (Hình 10). Trái ngược với von-Ampe tuyến tính (Hình 4), sau khi đạt đến điện thế cuối, điện thế trong thí nghiệm CV được quét theo hướng ngược lại để trở về điện thế ban đầu.

Để xác định độ suy giảm tính chất của chất xúc tác được thử nghiệm, thông thường hơn 5000 chu kỳ phải được thực hiện với tốc độ quét trong khoảng 50–100 mV / s. Trước và sau chu kỳ CV, Von-Ampe tuyến tính (LSV) được sử dụng để kiểm tra sự dịch chuyển quá thế ở một mật độ dòng điện riêng.

Sự thay đổi của quá thế càng nhỏ, độ ổn định của chất xúc tác điện càng tốt.

Tìm hiểu thêm về Von-Ampe tuần hoàn qua Ghi Chú Ứng Dụng của chúng tôi:

Differences between digital scans, analog scans, and signal integration

2.3 Efficiency

Hiệu quả (η) có thể được xác định bởi hiệu quả faradaic (hoặc hiệu quả coulombic / coulombian) về mặt kết quả thí nghiệm so với dự đoán lý thuyết.

Để có thể tính toán thể tích hydro lý thuyết thông qua Định luật Faraday, tổng điện tích là cần thiết. Giá trị này được đo bằng thiết bị điện hóa theo phương pháp chronocoulometry ghi lại tổng điện tích theo thời gian (Hình 11).

Kết luận

Việc lựa chọn kỹ thuật phù hợp để phân tích hoạt động, tính ổn định và hiệu quả của chất xúc tác phụ thuộc vào từng dự án nghiên cứu và phát triển cụ thể. May mắn thay, Metrohm cung cấp một loạt các giải pháp sẽ đáp ứng tất cả các loại yêu cầu nghiên cứu.

Your knowledge take-aways

Brochure: Electrocatalysis – Complete solutions for electrocatalysis and forced convection measurements