光催化劑實現(xiàn)低能量LED光下室溫氨裂解

氨作為一種氫載體，其中每個氮原子結合了三個氫原子，含氫量高達17.6%。雖然其含氫量極高，但利用其中的氫并非易事。大多數(shù)氨裂解需要在大型設施中進行的，操作溫度至少在650-1000℃。此外，氨裂解所需的熱催化劑通常為相當稀有和昂貴的鉑族金屬（如釕等）。由此可以看出萊斯大學所開發(fā)的這種只使用銅和鐵在室溫下即可進行氨裂解的技術具有重要的價值。

萊斯大學的該研發(fā)團隊已經(jīng)從事了30年的 “天線-反應器 ”等離激元光催化劑（"antenna-reactor" plasmonic photocatalysts）的開發(fā)工作。這些催化劑為納米顆粒，表面上點綴著 "天線 "材料，旨在提高催化劑的光吸收能力。經(jīng)過適當?shù)恼{(diào)整，這類光催化劑能夠從環(huán)境光—無論是太陽光，還是來自低能量LED的光—中吸收能量，并釋放出 "熱電子"，其能量即使在環(huán)境溫度下也足以啟動一個有效的化學反應。

該團隊所報道的用于氨裂解的 “天線-反應器”型光催化劑以鐵作為其反應器(reactor)，銅為天線(antenna)，在實驗室測試中，該催化劑所展示出的效率和反應性可與銅-釕相媲美。該研究最初的測試是在一個微小的實驗裝置中使用激光器產(chǎn)生的光進行的。研究者之一Naomi Halas也是Syzygy Plasmonics公司的聯(lián)合創(chuàng)始人，該公司旨在將萊斯團隊的工作商業(yè)化，建造了一個大約500倍大的測試裝置，使用高效的LED照明代替激光。在該放大裝置中，催化劑仍然一樣地高效。Halas表示，“這是科學文獻中的第一份報告，表明用LED的光催化作用可以從氨中產(chǎn)生克數(shù)級的氫氣。”

銅鐵光催化劑避免了貴金屬的使用，能夠使從氨中提取氫氣變得更加便宜和容易。此外，它在不需要熱量的情況下進行，能夠節(jié)省能源。而更重要的是，它將引領一種小型、可靠、輕量級和常溫的氨裂解裝置。Syzygy公司表示，其所開發(fā)的最初版本的Rigel光催化反應器產(chǎn)品大約有一臺小型洗衣機那么大，每天可處理大約一噸，這取決于它所運行的具體反應。這些反應器可以堆疊起來；如果需要更大的產(chǎn)量，則可以同時運行多個反應器。

該研究的另一位成員Emily Carter補充說，“鑒于其大幅減少化工行業(yè)碳排放的潛力，天線-反應器光催化劑值得進一步研究，其他來源豐富的金屬組合有可能作為具有良好成本效益的催化劑用于廣泛的化學反應”。