探索清洁替代品：氢燃料与氨气的潜力与挑战

探索清洁替代品：氢燃料与氨气的潜力与挑战

当前的全球气候紧急情况和快速枯竭的能源资源促使人们寻找更清洁的替代品，例如氢燃料。当氢气在氧气存在下燃烧时，它会产生大量能量，但与化石燃料不同，它不会产生有害的温室气体。不幸的是，当今生产的大多数氢燃料都来自天然气或化石燃料，这最终会增加其碳足迹。

氨是一种碳中性的氢化合物，由于其高能量密度和高储氢能力，近来备受关注。它可以分解释放出氮和氢。氨可以很容易地液化、储存和运输，并在需要时转化为氢燃料。然而，从氨中生产氢气是一个缓慢的反应，对能量的需求非常高。为了加快生产速度，通常使用金属催化剂，这也有助于降低氢气生产过程中的总体能耗。

最近的研究发现，镍 (Ni) 是一种很有前途的氨分解催化剂。氨吸附在镍催化剂表面，随后氨中氮和氢之间的键断裂并释放为单一气体。然而，使用镍催化剂获得良好的氨转化率通常需要非常高的操作温度。

在最近发表在《ACS 》上的一项研究中，东京工业大学的一个研究小组由副教授北野信子领导，描述了一种解决镍催化剂所面临的问题的方法。他们开发了一种最先进的钙酰胺 (CANH) 负载的镍催化剂，可在较低的工作温度下实现良好的氨转化率。“我们的目标是开发一种高效的催化剂，可以在高温下实现高氨转化率，”北野博士解释说。“在我们的催化剂系统中添加金属酰胺不仅提高了其催化活性，还帮助我们解开了这些系统难以捉摸的工作机制。”

研究小组发现，CANH 的存在导致催化剂表面形成 NH2 空位 (VNH)。这些活性物质提高了 Ni/CANH 的催化性能，反应温度低于镍基催化剂发挥作用所需的 100°C。研究人员还开发了计算模型并进行了同位素标记，以了解催化剂表面发生的情况。计算提出了一种 Mars-Van 机制，涉及氨吸附到 CANH 表面，在 NH2 空位处活化，形成氮和氢，最后由 Ni 纳米颗粒驱动空位再生。

高活性和耐用的 Ni/CANH 催化剂可成功用于从氨中生产氢气。此外，这项研究提供的催化机制见解可用于开发新一代催化剂。“随着世界共同努力建设可持续的未来，我们的研究旨在解决我们在实现更清洁的氢燃料经济道路上面临的困难，”博士总结道。

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