探索氨气作为氢载体的潜力：解决氢气运输和处理难题

探索氨气作为氢载体的潜力：解决氢气运输和处理难题

原创未来光锥我是科学家

氢气是众所周知的清洁燃料，但氢气作为超轻气体，液化需要700个大气压，或接近绝对零度的低温冷却，这导致氢气的运输和处理十分困难，氢能因此价格昂贵。

氨（NH3）可能是比氢本身更好的氢载体：其中每个氮原子与三个氢原子结合，可以储存大量能量；液氨虽然在高浓度下有腐蚀性，但它在常温常压下是稳定的液体，易于运输，并被广泛应用于许多行业。

然而，从氨中获取氢气并将无害的氮气释放回大气并不容易。首先，氨裂​​解反应是吸热反应，大部分时间需要在650-1000°C的温度下在大型设施中进行，产生大量碳排放。其次，裂解操作所需的热催化剂通常是钌等铂族金属，这些金属往往稀有且昂贵。

近日，美国莱斯大学研究团队仅利用廉价丰富的铜和铁材料，研制出一种性能优异的光催化剂，可在室温下仅利用光能将氨转化为清洁的氢燃料，其效率与昂贵的热催化剂相当。该研究成果发表在《科学》杂志上，两名中国科学家为共同第一作者。

论文截图 | 参考文献[1]

在热驱动下，铁等金属对氨裂解的反应性远低于钌，因为 Fe-N 键非常强，以至于吸附后产物不易解吸。这项工作表明，它们可以成为高效的等离子体光催化剂，仅使用廉价的 LED 光源即可有效进行光催化。

通讯作者之一彼得说：“这一发现为可持续、低成本的氢气生产铺平了道路，只需要LED光源和小型设备，而不需要在大型集中工厂生产。”

对于同一种金属材料来说，吸收光的能力和催化能力往往是互相排斥的。继2011年发现可以释放短暂高能电子（称为“热载流子”）的等离子体粒子后，该团队在2016年发现，热载流子发生器可与金属纳米颗粒催化剂结合，制成混合型“天线反应器”：利用金、银、铝等金属作为“光子天线”，从光中获取能量，增加催化剂吸收光的能力；而利用钯、铂、铑等金属纳米颗粒作为催化剂，精准驱动化学反应。

（左）等离子体天线通过局部近场增强与催化反应器金属纳米粒子耦合（右）莱斯大学的“天线反应器”等离子体催化剂：将集光纳米材料与高效金属催化剂相结合。在这张图片中，活性钯“岛”点缀在铝晶体的氧化铝表面上，铝晶体用作光子天线来捕获光并激活催化岛 | 参考文献 [1]

经过适当调整后，这些“天线反应堆”粒子可以吸收环境光（无论是阳光还是低能耗 LED 发出的光）的能量，即使在环境温度下也能进行高效的化学反应。这项新研究是该团队多年努力寻找非贵金属替代品作为天线反应堆的光收集和反应加速部件的成果。

由铜和铁制成的“天线反应堆”颗粒在催化氨分解方面非常有效。“在没有光的情况下，铜铁催化剂的反应性比铜钌催化剂低约 300 倍，这并不奇怪，因为钌是这种反应的更好的热催化剂，”共同通讯作者说。“在光照条件下，铜铁表现出与铜钌相似的效率和反应性。”

“这是科学文献中首次报道 LED 光催化可以从氨中产生克级氢气，”另一位通讯作者 Halas 说道。“这为用丰富的低成本金属完全取代等离子体光催化中的贵金属打开了大门。”

“鉴于等离子体天线反应器光催化剂具有显著减少化学工业碳排放的潜力，值得进一步研究，”共同通讯作者补充道。“其他非贵金属组合很可能成为许多其他化学反应中经济高效的催化剂。”

使用铜铁等离子体光催化剂测试氨气制氢的反应池（左）和光催化平台（右）。催化反应的所有反应能量均来自波长为 470 nm 的 LED。| 参考文献 [2]

参考

[1] 袁义高等，“利用光电二极管从NH3中分离出H2”。378.6622（2022）：889-893。

[2]

[3]

[4]

[5]，Dayne F. 等人，“−为。” Proc. Natl. Acad. Sci. 113.32（2016）：8916-8920。

编译：