Không giống như dầu mỏ và khí đốt tự nhiên, H2 không phải là một nguồn năng lượng, mà chỉ là chất mang năng lượng – được sử dụng để lưu trữ và vận chuyển năng lượng H2 không tồn tại tự nhiên trên Trái đất H2 là phân tử nhẹ nhất (khối lượng mol phân tử 2,016 g/mol) và phổ biến nhất trong vũ trụ Trong điều kiện thường, H2 là một chất khí, không mùi, bền, nhiệt độ sôi thấp (khoảng 20,3K) và tỏa ra nhiệt lượng đáng kể khi đốt cháy (273 kJ/mol) Những đặc tính này cho phép H2
được sử dụng như một chất mang năng lượng hiệu quả [8]
Hiện tại, hơn 500 tỷ mét khối (hoặc 44,5 triệu tấn H2) được sản xuất hàng năm Hầu hết lượng H2 này được sử dụng cho các mục đích công nghiệp như: lọc dầu, tổng hợp amoniac phục vụ cho sản xuất phân bón và các hóa chất khác Hiện tại,
ba phương pháp chính để sản xuất H2 trong công nghiệp là: reforming khí metan bằng hơi nước, khí hóa than và điện phân nước (hình 1 2) [9] Trong đó, hai phương pháp đầu tạo ra hơn 95% sản lượng H2, trong khi chỉ 4% lượng H2 được tạo ra bằng cách điện phân nước Như vậy, việc sản xuất H2 hiện tại vẫn phụ thuộc nhiều vào các nguồn nhiên liệu hóa thạch Thực tế, các công nghệ sản xuất H2 dựa trên nhiên liệu hóa thạch không thể thực sự giải quyết vấn đề ô nhiễm môi trường và phát thải CO2
[9]
Hình 1 2 Ba phương pháp chính để sản xuất H2 trong công nghiệp [9]
Sản xuất H2 từ điện phân nước là công nghệ có khả năng sản xuất H2 theo cách bền vững, vì nguyên liệu của nó là nước — một nguồn hydro dồi dào và có thể tái tạo được Tuy nhiên, quá trình này chỉ thực sự phát huy được hiệu quả khi có thể sử dụng điện tạo ra từ các nguồn năng lượng tái tạo như: năng lượng mặt trời, gió, địa nhiệt,…
Quá trình chuyển hóa năng lượng này được thực hiện trong các thiết bị quang điện hóa (photoelectrochemical cell, PEC) Dưới đây, chúng tôi trình bày về nhiệt động học và động học của phản ứng thoát khí H2 (Hydrogen evolution reaction, HER) và lí giải sự cần thiết phải sử dụng chất xúc tác điện hóa cho quá trình này