Các nhà nghiên cứu tại Đại học Sharjah đã phát triển một công nghệ mới có thể sản xuất nhiên liệu hydro sạch trực tiếp từ nước biển ở quy mô công nghiệp.
Trong một nghiên cứu đăng trên tạp chí Small, nhóm nghiên cứu cho biết họ đã có thể chiết xuất hydro mà không cần loại bỏ muối khoáng trong nước biển hoặc thêm bất kỳ hóa chất nào. Theo các nhà nghiên cứu, phương pháp này loại bỏ nhu cầu xây dựng và vận hành các nhà máy khử mặn — vốn tốn kém hàng trăm triệu đô la.
Điện cực kỹ thuật kháng ăn mòn từ nước biển
“Chúng tôi đã phát triển một loại điện cực nhiều lớp hoàn toàn mới có thể chiết xuất hydro trực tiếp từ nước biển một cách hiệu quả và bền vững. Các phương pháp truyền thống gặp nhiều vấn đề, đặc biệt là ăn mòn và suy giảm hiệu suất do ion clorua trong nước biển,” Tiến sĩ Tanveer Ul Haq, Trợ lý Giáo sư tại Khoa Hóa học của Đại học Sharjah và là tác giả chính của nghiên cứu cho biết.
Nhóm nghiên cứu đã thiết kế một điện cực đặc biệt mà theo tiến sĩ Ul Haq, “giải quyết các vấn đề này bằng cách tạo ra một môi trường vi mô có tính chất bảo vệ và phản ứng, giúp tăng hiệu suất đồng thời chống lại sự hư hại.”
Khi nhu cầu năng lượng sạch ngày càng cấp thiết, hydro nổi lên như một giải pháp đầy hứa hẹn. Tuy nhiên, việc sản xuất hydro thông thường lại đòi hỏi nước tinh khiết, thứ rất khan hiếm ở nhiều nơi trên thế giới.
Nghiên cứu này mang lại một đột phá tiềm năng bằng cách đưa ra phương pháp sản xuất hydro trực tiếp từ nước biển, tránh phụ thuộc vào nguồn nước ngọt.
“Nói ngắn gọn, chúng tôi đã chứng minh rằng điện phân trực tiếp nước biển không chỉ khả thi mà còn có thể mở rộng quy mô, đạt hiệu suất công nghiệp trong khi vẫn bảo vệ điện cực khi sử dụng lâu dài,” tiến sĩ Ul Haq nói thêm.
Hiệu suất cao trong điều kiện nước biển thực tế
Trong nghiên cứu, nhóm gọi thiết bị của họ là “thiết kế điện cực nhiều lớp với môi trường vi mô được tối ưu hóa cho điện phân nước biển bền vững.” Điện cực này sản xuất hydro với tốc độ phù hợp công nghiệp từ nước biển chưa xử lý. Gần như toàn bộ đầu vào điện được chuyển thành khí, đạt hiệu suất Faradaic 98%. Hiệu suất Faradaic đo lường mức độ hiệu quả của dòng điện trong một phản ứng điện hóa nhất định.
Theo nhóm nghiên cứu, “thiết kế anode tiên tiến đạt được mật độ dòng điện 1.0 A/cm² ở 1.65 V trong điều kiện tiêu chuẩn — một bước tiến đáng kể hướng tới sản xuất hydro quy mô lớn, không cần khử mặn trực tiếp từ nước biển.”
“Chúng tôi đã tạo ra một điện cực tiên tiến hoạt động tốt trong nước biển thực mà không cần xử lý hay khử mặn trước,” theo giáo sư Yousef Haik, đồng tác giả và là Giáo sư Kỹ thuật Cơ khí và Hạt nhân tại Đại học Sharjah.
Thiết kế phù hợp cho các khu vực khô hạn nhiều nắng
“Hệ thống của chúng tôi tạo hydro với tốc độ công nghiệp — 1 ampe mỗi centimet vuông — với năng lượng đầu vào thấp. Điều này có thể cách mạng hóa cách chúng ta nghĩ về sản xuất hydro ở các khu vực ven biển, đặc biệt là ở các nước khô hạn như UAE, nơi nguồn nước ngọt khan hiếm nhưng ánh sáng mặt trời và nước biển lại dồi dào.”
Điểm mạnh của công nghệ này nằm ở cấu trúc điện cực nhiều lớp tiên tiến, không chỉ chịu được điều kiện khắc nghiệt của nước biển mà còn hoạt động tốt trong đó. Thiết bị hình thành “màng metaborat bảo vệ, ngăn ngừa sự hòa tan kim loại và hình thành oxit không dẫn điện” — một cách tiếp cận giúp loại bỏ nhu cầu lọc nước tiêu tốn năng lượng.
“Điều này loại bỏ khử mặn tốn kém và quá trình làm sạch nước phức tạp, khiến sản xuất hydro xanh rẻ hơn và dễ tiếp cận hơn,” đồng tác giả Mourad Smari, một cộng sự nghiên cứu tại Viện Khoa học và Kỹ thuật Đại học Sharjah cho biết.
Một trong những điểm ấn tượng nhất của hệ thống là tuổi thọ của nó. “Thiết bị vận hành hơn 300 giờ mà không mất hiệu suất, chống lại sự ăn mòn vốn thường phá hủy các hệ thống tương tự,” tiến sĩ Ul Haq nói. Nghiên cứu cho biết lớp carbonate “hoạt động như một lá chắn tĩnh điện,” bảo vệ các lớp điện cực khỏi bị hòa tan.
Trong các thử nghiệm hiệu suất, điện cực đạt tần suất phản ứng (turnover frequency) là 139,4 s⁻¹ tại 1,6 V, một trong những con số cao nhất từng được ghi nhận cho các hệ thống tương tự.
“Tóm lại, kiến trúc điện cực nhiều lớp được phát triển trong nghiên cứu này mang lại giải pháp hiệu quả cho điện phân nước biển trực tiếp,” nghiên cứu kết luận.
Tiến sĩ Ul Haq nhấn mạnh tiềm năng của công nghệ trong việc sản xuất năng lượng sạch và bền vững.
Năng lượng sạch với khả năng mở rộng
“Công nghệ này có thể được ứng dụng trong các nhà máy hydro quy mô lớn sử dụng nước biển thay vì nước ngọt quý giá. Hãy tưởng tượng các trang trại hydro chạy bằng năng lượng mặt trời dọc theo bờ biển UAE, sử dụng nước biển và ánh nắng để tạo nhiên liệu sạch — với phát thải bằng 0 và sử dụng tài nguyên tối thiểu.”
Khi được yêu cầu giải thích một cách đơn giản cách thiết kế nhiều lớp hoạt động, tiến sĩ Ul Haq nói: “Thiết kế nhiều lớp của điện cực hoạt động như một bộ lọc thông minh — cho nước đi qua, ngăn ăn mòn và tăng tốc độ sản xuất hydro.” Ông nói thêm rằng hiệu suất của hệ thống phần lớn đến từ cách nó xử lý ion clorua trong nước biển.
Lớp carbonate giúp đẩy lùi các ion này và tạo ra môi trường vi mô axit tại chỗ, thúc đẩy phản ứng oxy hóa — một bước thiết yếu trong quá trình tạo hydro. Cơ chế này “tăng tốc phản ứng oxy hóa và bảo vệ trước sự tấn công của ion clorua cũng như sự kết tủa.”
Từ thành công trong phòng thí nghiệm đến thử nghiệm thực tế
Công nghệ này đã thu hút sự quan tâm từ “các startup năng lượng sạch và trung tâm đổi mới trong khu vực,” tiến sĩ Ul Haq cho biết. “Đổi mới của chúng tôi biến nước biển từ một thách thức thành một giải pháp… Đây là hydro sạch được làm từ biển cả.”
Các nhà nghiên cứu hiện đang hướng đến việc triển khai công nghệ ở quy mô lớn. “Chúng tôi đang chuyển từ quy mô phòng thí nghiệm sang thử nghiệm thí điểm, nhằm xác thực công nghệ trong điều kiện ngoài trời thực tế,” tiến sĩ Ul Haq nói. “Mục tiêu tiếp theo của chúng tôi là phát triển máy phát hydro dạng mô-đun chạy bằng năng lượng mặt trời, phù hợp với các khu vực khô hạn ven biển.”
Các nhà nghiên cứu đã phát triển phương pháp sản xuất hydro trực tiếp từ nước biển mang tính cách mạng, có thể mở rộng cho các ứng dụng công nghiệp. Ảnh: Shutterstock
