天線光催化劑讓氨制氫簡單易行

美國科學日報網(wǎng)站近日發(fā)布消息，美國萊斯大學、Syzygy等離子股份有限公司和普林斯頓大學能源與環(huán)境中心組成的研發(fā)團隊，開發(fā)成功一種新型的銅-鐵光催化劑。這種催化劑可以在室溫下輕松地將氨轉化為清潔的氫燃料，其效率不亞于傳統(tǒng)的價格昂貴的貴金屬催化劑，為氫能的經(jīng)濟性應用提供了技術解決方案。

氫能被認為是21世紀最具發(fā)展?jié)摿Φ那鍧嵞茉?，但氫容易氣化、燃燒和爆炸。如何安全地儲存和運輸，是氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關鍵要素之一。氨作為一種載體，每個氮原子結合了3個氫原子，含氫量高達17.6%。所以人們將氨稱為儲運氫的保險箱。但同時人們面臨的一個困難是如何把保存于保險箱中的氫快速便捷地釋放出來。

通常情況下，從保險箱中把氫釋放岀來要靠裂解技術。氨裂解需要在大型設施中進行，操作溫度至少在650～1000攝氏度。此外，氨裂解所需的催化劑通常由鉑、鈀、銠和釕等稀有貴金屬制成。生產(chǎn)商不得不每年花費數(shù)十億美元購買這種昂貴催化劑，而且還需要將大型反應器的溫度升高至數(shù)百或上千攝氏度，因此也產(chǎn)生了大量的碳足跡。這些都大大增加了提取氫能的壓力。

30多年前，萊斯大學的研發(fā)團隊開始探索獲取高效廉價的非貴金屬催化劑制備方案。2011年，研發(fā)團隊發(fā)現(xiàn)了等離子體粒子。這種粒子能夠釋放出被稱為熱載流子的高能電子。2016年，他們又發(fā)現(xiàn)熱載流子可以與催化粒子結合，在催化劑的納米顆粒表面形成“天線”材料，稱為天線反應器。天線反應器的一部分從光中獲取能量，另一部分將獲取的能量以外科手術般的精度來驅動化學反應。

天線反應器讓人們看到了希望。它可以大大提高催化劑的光吸收能力。與傳統(tǒng)催化劑不同，有了天線反應器的催化劑不需要太多的熱量，可以利用環(huán)境光，無論是太陽光還是LED光，它都能從中吸收能量并釋放出熱電子。其能量即使在室溫環(huán)境下也足以啟動一個有效的化學反應。

實驗室測試結果表明，天線反應器可用銅或鐵為基材。該研究最初的測試是在實驗室一個裝置中使用激光器產(chǎn)生的光進行的。Syzygy等離子公司將萊斯團隊的研究成果進行了商業(yè)化，建造了一個規(guī)模為實驗室裝置500倍大的測試裝置，使用的是LED照明光。在放大裝置中，天線反應器仍然高效。這項研究成果近日發(fā)表在美國《科學》雜志網(wǎng)站上。

這可以說是一種新型銅-鐵光催化劑。它避免了貴金屬的使用，大大降低了生產(chǎn)商從氨中提取氫的成本，為企業(yè)節(jié)省了大量能源，同時生產(chǎn)過程也更加簡便容易。Syzygy等離子公司根據(jù)這一催化劑的特性，制造出一臺小型、可在常溫下運行的氨裂解裝置。項目負責人表示，最初版本的銅-鐵光催化反應器大約有一臺小型洗衣機那么大。這些反應器可以堆疊起來，同時運行多個反應器，可以提高氨裂解制氫的生產(chǎn)能力。

這一研發(fā)為獲取可持續(xù)的、低成本的氫氣鋪平了道路。鑒于這種新型催化劑在顯著減少碳排放方面的潛力，研發(fā)團隊負責人表示，他們將進一步研究更豐富的金屬組合催化劑，幫助化工企業(yè)降低成本、提高效益。