Hệ thống màng kép và điện

Các nhà khoa học từ Phòng thí nghiệm máy gia tốc quốc gia SLAC của Bộ năng lượng và Đại học Stanford cùng với các cộng tác viên tại Đại học Oregon và Đại học Manchester Metropolitan đã tìm ra cách tách hydro ra khỏi đại dương bằng cách dẫn nước biển qua hệ thống màng kép và điện. 

Thiết kế sáng tạo của các nhà khoa học đã cho thấy sự thành công trong việc tạo ra khí hydro mà không tạo ra một lượng lớn sản phẩm phụ có hại. Kết quả của công trình nghiên cứu đã được công bố gần đây trên tạp chí Joule, có thể giúp thúc đẩy các nỗ lực sản xuất nhiên liệu carbon thấp.

Ông Adam Nielander, cộng tác viên của Trung tâm khoa học giao diện và xúc tác SUNCAT, thuộc viện liên kết SLAC-Stanford, cho biết: “Nhiều hệ thống nước thành hydro ngày nay cố gắng sử dụng màng đơn lớp hoặc màng đơn lớp. Nghiên cứu của chúng tôi đã kết hợp hai lớp lại với nhau. Những cấu trúc màng này cho phép chúng tôi kiểm soát cách các ion trong nước biển di chuyển trong thí nghiệm của chúng tôi”.

Khí hydro là nhiên liệu có hàm lượng năng lượng carbon thấp, đảm bảo không phát thải khí nhà kính, thân thiện môi trường, vì vậy hiện nay đang được sử dụng theo nhiều cách khác nhau, là nhiên liệu để chạy các phương tiện chạy bằng pin nhiên liệu và như một tùy chọn lưu trữ năng lượng trong thời gian dài.

Phản ứng đối với nước biển

Trước đây, để tạo ra khí hydro bắt đầu bằng nước sạch hoặc nước khử muối, nhưng các phương pháp đó có thể tốn kém và tốn nhiều năng lượng. Nước đã qua xử lý dễ xử lý hơn vì nó có ít nguyên tố hóa học hoặc phân tử trôi nổi xung quanh. Tuy nhiên, các nhà nghiên cứu cho biết việc lọc nước rất tốn kém, đòi hỏi năng lượng và tăng thêm độ phức tạp cho các thiết bị. Ngoài ra, nước ngọt tự nhiên cũng chứa một số tạp chất gây khó khăn cho công nghệ hiện đại và đây cũng nguồn tài nguyên đang bị cạn kiệt trên hành tinh.

Đối với nước biển, nhóm các nhà khoa học đã triển khai một hệ thống màng lưỡng cực hoặc hai lớp và thử nghiệm nó bằng cách sử dụng điện phân, một phương pháp sử dụng điện để điều khiển các ion hoặc các nguyên tố tích điện để thực hiện phản ứng. Thiết kế ban đầu là kiểm soát nguyên tố có hại nhất đối với hệ thống nước biển - clorua.

Joseph Perryman, một nhà nghiên cứu sau tiến sĩ của SLAC và Stanford, cho biết: “Có nhiều loài phản ứng trong nước biển có thể cản trở phản ứng nước thành hydro và natri clorua làm cho nước biển mặn là một trong những thủ phạm chính. Đặc biệt, clorua đi đến cực dương và bị oxy hóa sẽ làm giảm tuổi thọ của hệ thống điện phân và thực sự có thể trở nên không an toàn do tính chất độc hại của các sản phẩm oxy hóa bao gồm phân tử clo và thuốc tẩy”.

Màng lưỡng cực cho phép tiếp cận các điều kiện cần thiết để tạo ra khí hydro và giảm thiểu clorua đi đến trung tâm phản ứng.

Hệ thống tách khí hydro và oxy

Hệ thống màng lý tưởng thực hiện với ba chức năng chính: tách khí hydro và oxy khỏi nước biển; giúp di chuyển chỉ các ion hydro và hydroxit hữu ích trong khi hạn chế các ion nước biển khác; và giúp ngăn ngừa các phản ứng không mong muốn. Để nắm bắt được ba nhu cầu này là một việc khó và nghiên cứu của nhóm hướng tới việc khám phá các hệ thống có thể kết hợp hiệu quả cả ba nhu cầu này.

Cụ thể trong thí nghiệm, các proton là các ion hydro dương, đi qua một trong các lớp màng đến nơi chúng có thể được thu thập và biến thành khí hydro bằng cách tương tác với một điện cực tích điện âm. Màng thứ hai trong hệ thống chỉ cho phép các ion âm, chẳng hạn như clorua đi qua.

Một lớp màng chứa các nhóm tích điện âm được cố định vào màng, khiến các ion tích điện âm khác, như clorua, khó di chuyển đến nơi mà chúng không nên đến. Màng tích điện âm tỏ ra có hiệu quả cao trong việc ngăn chặn gần như tất cả các ion clorua trong các thí nghiệm của nhóm và hệ thống hoạt động không tạo ra các sản phẩm phụ độc hại như thuốc tẩy và clo.

Với việc thiết kế một hệ thống màng nước biển thành hydro, nghiên cứu cũng cung cấp hiểu biết về cách các ion nước biển di chuyển qua màng. Với kiến thức này giúp các nhà khoa học thiết kế màng mạnh hơn cho các ứng dụng khác, chẳng hạn như sản xuất khí oxy.

Giai đoạn tiếp theo, các nhà khoa học lên kế hoạch cải thiện các điện cực và màng bằng cách chế tạo chúng bằng các vật liệu đa dạng và dễ khai thác hơn. Với cải tiến thiết kế này có thể làm cho hệ thống điện phân dễ dàng mở rộng quy mô đến kích thước cần thiết để tạo ra hydro cho các hoạt động sử dụng nhiều năng lượng, như lĩnh vực giao thông vận tải.

Các nhà nghiên cứu hy vọng sẽ đưa các tế bào điện phân đến nguồn sáng bức xạ synchrotron Stanford của SLAC, giúp nghiên cứu cấu trúc nguyên tử của chất xúc tác và màng bằng cách sử dụng tia X cực mạnh của Thomas Jaramillo, giáo sư tại SLAC và Stanford và giám đốc của SUNCAT nhận định: “Tương lai tươi sáng cho các công nghệ hydro xanh. Những hiểu biết cơ bản mà chúng tôi thu được là chìa khóa để thông báo những đổi mới trong tương lai nhằm cải thiện hiệu suất, độ bền và khả năng mở rộng của công nghệ này”.

Tag: nhiên liệu nước biển hydro oxy điện cực