Các nhà nghiên cứu của Đại học Đông Bắc đã phát triển một khuôn khổ để hiểu vai trò của zirconium nitride (ZrN) trong việc tăng cường các phản ứng năng lượng sạch, cung cấp giải pháp thay thế hiệu quả về mặt chi phí cho các vật liệu như bạch kim trong pin nhiên liệu. Nghiên cứu này rất quan trọng đối với công nghệ năng lượng sạch và cũng hứa hẹn cho các vật liệu tương tự khác.
Một nhóm các nhà nghiên cứu đã khám phá ra bí ẩn đằng sau một loại vật liệu được phát hiện gần đây giúp thúc đẩy các phản ứng năng lượng sạch - zirconium nitride (ZrN). Khung mà họ đề xuất sẽ hỗ trợ việc thiết kế các nitrua kim loại chuyển tiếp trong tương lai, mở đường cho việc tạo ra năng lượng sạch hơn.
Nghiên cứu này gần đây đã được xuất bản trên tạp chí Khoa học Hóa học và được liệt kê dưới dạng bài báo trang bìa.
Pin nhiên liệu màng trao đổi anion (AEMFC) là thiết bị sử dụng hydro và oxy để tạo ra điện sạch thông qua các phản ứng hóa học (đặc biệt là phản ứng oxy hóa hydro và phản ứng khử oxy). Khả năng hoạt động trong điều kiện kiềm của AEMFC cung cấp môi trường thích hợp cho các chất xúc tác trên trái đất và cung cấp giải pháp thay thế rẻ hơn cho các vật liệu xúc tác hiệu quả cao khác như bạch kim.
Nghiên cứu gần đây cho thấy ZrN thể hiện hiệu suất hiệu quả khi được sử dụng cho ORR trong môi trường kiềm, thậm chí còn vượt qua cả bạch kim. Zirconium nitride, tuy không phải là vật liệu giàu đất nhưng vẫn tiết kiệm chi phí hơn các vật liệu khác. Nhưng điều gì ẩn sau hiệu suất ấn tượng của nó vẫn khiến các nhà khoa học không thể hiểu được.
Li Hao, phó giáo sư tại Viện khoa học vật liệu tiên tiến (WPI-AIMR) của Đại học Đông Bắc và là tác giả tương ứng của bài báo, giải thích: "Để hiện thực hóa khung lý thuyết mới về zirconium nitride, chúng tôi đã quyết định sử dụng phân tích trạng thái bề mặt, mô phỏng hiệu ứng điện trường và mô hình vi động lực học phụ thuộc pH. "
Phân tích bề mặt cho thấy ZrN có lớp HO rất mỏng khi trải qua ORR. Lớp HO mỏng này giúp các phân tử bám vào nó theo cách có lợi cho ORR. Ngoài ra, mô phỏng hiệu ứng điện trường chứng minh rằng oxy nguyên tử bám vào bề mặt phủ mỏng như vậy thay đổi rất ít nên mức độ bám dính ở mức vừa phải. Sau khi tiến hành mô phỏng trên máy tính, các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng ZrN đạt đến điểm ngọt ngào cho ORR trong điều kiện kiềm.
"Lý thuyết thử nghiệm của chúng tôi không chỉ áp dụng cho ZrN mà còn áp dụng cho các vật liệu khác tương tự ZrN như Fe3N, TiN và HfN, nghĩa là ý tưởng của chúng tôi cũng giải thích cách sử dụng những vật liệu này để đạt được năng lượng sạch. Nguồn. Khung này sẽ tạo điều kiện thuận lợi cho việc thiết kế hợp lý các nitrit kim loại chuyển tiếp cho ORR kiềm. "
Trong Trong tương lai, Li Hao và nhóm của ông có kế hoạch mở rộng khuôn khổ này để nghiên cứu các phản ứng khác có tầm quan trọng công nghiệp, chẳng hạn như phản ứng tạo ra oxy.