Trong hóa học và sản xuất chế tạo, người ta thường sử dụng thiết bị điện phân - phương thức sử dụng dòng điện để phá vỡ liên kết trong các phân tử nước để tạo ra oxy và hydro. Tính hiệu quả của các thiết bị này thể hiện ở việc sử dụng các loại axít có khả năng ăn mòn và vật liệu điện cực làm bằng hợp chất kim loại iridi oxit hoặc oxit ruthenium. So với oxit ruthenium, iridi oxit - vật liệu xúc tác đang được sử dụng phổ biến hiện nay - có tính ổn định hơn, nhưng lại là một trong những nguyên tố khan hiếm trên Trái đất. Do đó, các nhà nghiên cứu đang phải tìm kiếm một vật liệu khác để thay thế.

Hong Yang, giáo sư kỹ thuật hóa học và phân tử sinh học ở Đại học Illinois, đồng tác giả nghiên cứu cho biết: “Hầu hết những nghiên cứu trước đây được thực hiện với các chất điện phân được cấu thành từ hai nguyên tố, trong đó, 1 nguyên tố là kim loại và nguyên tố còn lại là oxy. Trong một nghiên cứu gần đây, chúng tôi đã phát hiện rằng nếu chất điện phân là một hợp chất chứa hai nguyên tố kim loại: yttrium và ruthenium và oxy thì tốc độ phản ứng phân tách nước tăng lên".

Yao Qin, thành viên cũ của nhóm Yang, đã thử nghiệm lần đầu tiên quy trình sản xuất vật liệu mới này bằng cách sử dụng các axít và mức nhiệt độ gia nhiệt khác nhau để tăng tốc độ phản ứng của quá trình phân tách nước.

Các nhà khoa học nhận thấy rằng việc sử dụng axít pecloric làm chất xúc tác và kỹ thuật gia nhiệt để làm tăng tốc độ phản ứng góp phần làm thay đổi tính chất vật lý của hỗn hợp yttrium ruthenate.

Jaemin Kim, nhà nghiên cứu sau tiến sĩ và là tác giả chính của nghiên cứu cho biết: “Vật liệu trở nên xốp rỗng hơn cũng như có cấu trúc tinh thể mới và khác biệt so với tất cả các chất xúc tác rắn mà chúng tôi đã tạo ra trước đó. Vật liệu mới mà chúng tôi phát triển được cấu tạo từ oxit pyrochlore của yttrium ruthenate có khả năng phân tách các phân tử nước ở tốc độ cao hơn so với chất xúc tác tiêu chuẩn công nghiệp hiện đang được sử dụng”.

"Nhờ khả năng cải thiện tính hoạt động, cấu trúc xốp rỗng của chất xúc tác điện phân đóng vai trò hết sức quan trọng", Yang nói. "Các lỗ rỗng này có thể được tạo ra bằng phương pháp tổng hợp với khuôn mẫu có kích thước nanomet và các chất liệu được sử dụng trong sản xuất đồ gốm sứ, tuy nhiên, cấu trúc này không thể duy trì trong điều kiện nhiệt độ cao cần thiết để tạo ra chất xúc tác rắn, chất lượng cao".

Yang và nhóm của ông đã quan sát cấu trúc của vật liệu mới bằng kính hiển vi điện tử và phát hiện ra rằng các lỗ rỗng của nó có kích thước gấp bốn lần so với vật liệu yttrium ruthenate ban đầu mà họ đã phát triển trong nghiên cứu trước đó, và gấp ba lần so với oxit iridi và ruthenium được sử dụng phổ biến hiện nay.

"Chúng tôi rất ngạc nhiên khi axít chúng tôi lựa chọn làm chất xúc tác cho phản ứng này hóa ra lại có khả năng cải thiện cấu trúc của vật liệu được sử dụng để sản xuất điện cực. Sự nhận thức này hoàn toàn là ngẫu nhiên và có ý nghĩa tương đối quan trọng đối với chúng tôi", Yang chia sẻ.

Nhóm nghiên cứu cho biết kế hoạch tiếp theo của nhóm là thực hiện những nghiên cứu sâu hơn để chế tạo một thiết bị quy mô phòng thí nghiệm và nhằm cải thiện mức độ ổn định của điện cực có cấu trúc xốp trong môi trường axit.

"Tính ổn định của các điện cực trong môi trường axit luôn luôn là một thách thức cần giải quyết, nhưng chúng tôi nhận thấy vật liệu của chúng tôi hoàn toàn mới mẻ và khác biệt so với các vật liệu khác trong lĩnh vực này, cũng như, nghiên cứu của chúng tôi sẽ có sức ảnh hưởng đáng kể đến khả năng phát triển phương pháp thu hydro từ nước với ước muốn có nguồn năng lượng sạch vô tận, bền vững trong tương lai".