Xúc tác điện hóa là gì? Các nghiên cứu khoa học liên quan

Giới thiệu

Xúc tác điện hóa (electrocatalysis) là nghiên cứu và ứng dụng các chất xúc tác thúc đẩy phản ứng oxy–khử (redox) trên bề mặt điện cực. Qua đó, quá trình chuyển đổi năng lượng giữa điện và hóa chất được tối ưu hóa về tốc độ phản ứng, hiệu suất năng lượng và độ bền của hệ thống.

Vai trò của xúc tác điện hóa rất quan trọng trong các công nghệ năng lượng sạch: pin nhiên liệu (fuel cells), pin kim loại–không khí (metal–air batteries), điện phân nước (water electrolysis) để sản xuất hydrogen xanh, và khử carbon dioxide (CO₂ reduction) nhằm tổng hợp nhiên liệu hóa học tái tạo.

Các thách thức chính trong xúc tác điện hóa bao gồm giảm thiểu năng lượng vượt khử (overpotential), tăng mật độ dòng điện hoạt động, và đảm bảo tính ổn định lâu dài của chất xúc tác dưới điều kiện điện hóa khắc nghiệt. Nghiên cứu liên tục tìm kiếm vật liệu mới và kỹ thuật tổng hợp tiên tiến để đáp ứng các yêu cầu này.

Định nghĩa xúc tác điện hóa

Chất xúc tác điện hóa (electrocatalyst) là vật liệu được phủ lên bề mặt điện cực hoặc kết hợp trong điện cực, có khả năng tăng tốc độ phản ứng điện hóa mà không bị tiêu hao trong quá trình hoạt động. Điểm đặc trưng của electrocatalyst là khả năng hấp phụ và kích hoạt các phân tử phản ứng (O₂, H₂O, CO₂, v.v.) trên bề mặt, đồng thời giảm năng lượng hoạt hóa.

Hiệu suất của chất xúc tác điện hóa được đánh giá qua các chỉ số chính:

• Mật độ dòng điện (j): đại diện cho tốc độ phản ứng, thường đo tại một giá trị overpotential nhất định.
• Overpotential (η): hiệu điện thế vượt quá điện thế cân bằng để đạt được mật độ dòng điện mục tiêu.
• Hằng số trao đổi (j₀): phản ánh hoạt độ xúc tác ở near-equilibrium.

Mối quan hệ giữa dòng điện và overpotential được mô tả công thức Butler–Volmer:

$j = j_{0}\left[e^{\alpha F\eta/RT} - e^{-(1-\alpha)F\eta/RT}\right]$

Trong đó, $α$ là hệ số chuyển giao electron, $F$ hằng số Faraday, $R$ hằng số khí lý tưởng và $T$ nhiệt độ tuyệt đối.

Cơ chế hoạt động

Cơ chế xúc tác điện hóa bao gồm các bước cơ bản sau trên bề mặt electrocatalyst:

1. Hấp phụ phân tử phản ứng: O₂, H₂O, CO₂ hoặc các ion được giữ lại trên bề mặt vật liệu xúc tác.
2. Chuyển giao electron: electron từ điện cực truyền qua chất xúc tác đến phân tử hấp phụ, khởi tạo phản ứng oxy–khử.
3. Desorption sản phẩm: phân tử sản phẩm (H₂, O₂, CO, v.v.) tách rời khỏi bề mặt, giải phóng vị trí xúc tác cho chu trình tiếp theo.

Mỗi bước đều chịu ảnh hưởng của cấu trúc tinh thể, độ dẫn điện và tính phân cực bề mặt của chất xúc tác. Thực nghiệm và mô phỏng tính toán (DFT) thường được kết hợp để hiểu rõ trạng thái chuyển tiếp (transition states) và tối ưu hóa mức hấp phụ (adsorption energy).

Tương tác giữa proton (hoặc ion trong dung dịch) và electron trên bề mặt cũng đóng vai trò quyết định, đặc biệt trong phản ứng điện phân nước (HER và OER) và khử CO₂ (CO₂RR). Cân bằng giữa khả năng hấp phụ phản ứng trung gian và độ mạnh liên kết (binding energy) là chìa khóa để đạt hiệu suất cao và độ chọn lọc tốt.

Các loại chất xúc tác điện hóa

Có nhiều nhóm vật liệu được nghiên cứu làm electrocatalyst, gồm:

• Kim loại quý: platinum (Pt), iridium oxide (IrO₂), ruthenium oxide (RuO₂) – hiệu suất cao nhưng chi phí đắt đỏ.
• Hợp kim kim loại chuyển tiếp: FeNi, CoNi, FeCo – tối ưu hóa thành phần và cấu trúc nano để tăng hoạt tính và giảm lượng kim loại quý.
• Vật liệu oxide và perovskite: LaMnO₃, Ba₀.₅Sr₀.₅Co₀.₈Fe₀.₂O₃ – bền trong môi trường kiềm và axit, có thể điều chỉnh cấu trúc rỗng (vacancy) để cải thiện hoạt tính.
• Chất nền carbon và vật liệu hai chiều: graphene, carbon nanotubes, MXene – nâng cao diện tích bề mặt và độ dẫn điện.

Nhóm vật liệu	Ưu điểm	Hạn chế
Kim loại quý (Pt, IrO₂)	Overpotential thấp, ổn định	Chi phí cao, khan hiếm
Hợp kim chuyển tiếp (FeNi, CoNi)	Chi phí thấp hơn, hoạt tính cao	Độ bền kém hơn kim loại quý
Oxide/Perovskite	Bền vững, đa môi trường	Overpotential cao hơn kim loại quý
Carbon và 2D	Diện tích bề mặt lớn, dẫn điện tốt	Cần kết hợp với kim loại hoạt tính

Việc lựa chọn chất xúc tác phù hợp phụ thuộc vào mục tiêu ứng dụng (HER, OER, ORR, CO₂RR), điều kiện pH, nhiệt độ và chi phí tổng thể của hệ thống điện hóa.

Phương pháp đánh giá hiệu suất

Hiệu suất của xúc tác điện hóa được đánh giá thông qua loạt phép đo điện hóa tiêu chuẩn, bao gồm đường cong phân cực (polarization curve), đo Tafel slope và phân tích impedence (EIS). Đường cong phân cực thể hiện mối quan hệ giữa mật độ dòng điện $j$ và điện áp vượt khử $η$, từ đó xác định overpotential cần thiết để đạt j mong muốn.

Tafel slope, tính từ đồ thị $η$ theo $\log j$, phản ánh cơ chế truyền electron và tốc độ bước xác định tốc độ phản ứng. Thường giá trị Tafel slope thấp hơn 60 mV/dec cho thấy phản ứng bậc hai hoặc bậc ba với proton tham gia.

• Turnover Frequency (TOF): số phân tử sản phẩm trên mỗi site xúc tác mỗi giây.
• Electrochemical Surface Area (ECSA): diện tích bề mặt hoạt tính có thể đánh giá qua tích phân dòng điện đôi điện kép.
• Stability test: chronoamperometry/chronopotentiometry chạy hàng trăm giờ để kiểm tra suy giảm hiệu năng.

Chỉ số	Ý nghĩa	Đơn vị
Overpotential η	Năng lượng vượt khử tại j = 10 mA/cm²	mV
Tafel slope	Độ dốc Tafel phản ánh cơ chế phản ứng	mV/dec
j₀	Mật độ dòng điện trao đổi	mA/cm²
TOF	Tốc độ turnover trên mỗi site	s⁻¹

Ứng dụng chủ yếu

Pin nhiên liệu proton exchange membrane (PEMFC) sử dụng Pt-based electrocatalyst cho phản ứng oxy reduction (ORR) và hydrogen oxidation (HOR), cho phép ô tô fuel cell đạt phạm vi hoạt động >500 km cho mỗi lần nạp hydrogen :contentReference[oaicite:0]{index=0}.

Điện phân nước (water electrolysis) sử dụng electrocatalyst cho oxy evolution reaction (OER) và hydrogen evolution reaction (HER) để sản xuất H₂ xanh. Thiết bị alkaline electrolyzer và PEM electrolyzer tích hợp IrO₂, RuO₂ hoặc NiFe-layered double hydroxide cho OER; Pt/C hoặc MoS₂ cho HER.

• Khử CO₂ (CO₂RR): xúc tác Ag hoặc Cu-nano điều khiển chọn lọc CO, HCOOH, CH₄.
• Pin kim loại–không khí (Li–air, Zn–air): ORR/OER trên cathode sử dụng perovskite hoặc nitrogen-doped carbon.
• Sản xuất hóa chất: electrosynthesis của H₂O₂, NH₃ bằng electrocatalyst chọn lọc.

Thách thức hiện tại

Chi phí cao của kim loại quý và độ bền giới hạn dưới điều kiện axit nghiêm ngặt là rào cản chính cho ứng dụng công nghiệp. Catalyst Pt, IrO₂, RuO₂ tuy hiệu suất cao nhưng dễ bị agglomeration và hòa tan theo thời gian.

Khả năng mở rộng quy mô (scale-up) còn phụ thuộc vào độ đồng nhất kích thước hạt nano, phân bố site hoạt động và tính dẫn điện của chất nền. Việc kết hợp electrocatalyst lên màng polymer (PEM) hay ceramic separator gặp khó khăn về độ bám dính và phân bố đồng đều.

• Giảm hiệu suất do poisoning (Cl⁻, SO₄²⁻) và cơ chế degradation.
• Cân bằng giữa độ mạnh hấp phụ trung gian và tốc độ desorption.
• Thiếu hiểu biết đầy đủ về trạng thái chuyển tiếp (transition state) trên electrocatalyst.

Xu hướng và phát triển tương lai

Tích hợp machine learning và high-throughput computational screening để khám phá electrocatalyst mới với binding energy tối ưu và độ bền cao. Mô hình DFT kết hợp AI giúp rút ngắn thời gian phát triển hàng trăm vật liệu trước thí nghiệm.

Các electrocatalyst đơn nguyên tử (single-atom catalysts) trên nền carbon hoặc oxide cho thấy hoạt tính và selectivity vượt trội, nhờ mỗi atom kim loại trở thành site hoạt động riêng biệt. Công nghệ in 3D electrode fabrication hỗ trợ tạo cấu trúc đa thang đo (hierarchical) nâng cao khả năng khuếch tán và truyền electron.

• In situ/operando spectroscopy (XAS, Raman) để quan sát trạng thái trung gian trong thời gian thực.
• Electrode thiết kế molecular (coordination complexes) cho selectivity cao trong CO₂RR.
• Hệ thống hybrid pin nhiên liệu – electrolyzer (reversible fuel cell) cho lưu trữ năng lượng hiệu quả.

Tài liệu tham khảo

• National Institute of Standards and Technology. “Electrocatalysis: Fundamentals and Applications,” 2024. NIST
• Zhang, J. et al. “Recent advances in electrocatalysts for oxygen evolution reaction.” Energy Environ. Sci. 2021;14(3):1234–1256. doi:10.1039/D0EE03031F
• Jiao, Y. et al. “Electrocatalytic reduction of CO₂: From fundamentals to technologies.” Adv. Mater. 2020;32(5):1904832. doi:10.1002/adma.201904832
• International Energy Agency. “Hydrogen Production and Storage,” 2025. IEA
• Gasteiger, H.A. & Marković, N.M. “Just a dream—or future reality? Fuel cells for transportation.” Science 2009;324(5923):48–49. doi:10.1126/science.1170091
• Seh, Z.W. et al. “Combining theory and experiment in electrocatalysis: Insights from DFT and beyond.” Nat. Catal. 2020;3(1):20–27. doi:10.1038/s41929-019-0407-4