天线光催化剂让氨制氢简单易行

美国科学日报网站近日发布消息，美国莱斯大学、Syzygy等离子股份有限公司和普林斯顿大学能源与环境中心组成的研发团队，开发成功一种新型的铜-铁光催化剂。这种催化剂可以在室温下轻松地将氨转化为清洁的氢燃料，其效率不亚于传统的价格昂贵的贵金属催化剂，为氢能的经济性应用提供了技术解决方案。

氢能被认为是21世纪最具发展潜力的清洁能源，但氢容易气化、燃烧和爆炸。如何安全地储存和运输，是氢能产业发展的关键要素之一。氨作为一种载体，每个氮原子结合了3个氢原子，含氢量高达17.6%。所以人们将氨称为储运氢的保险箱。但同时人们面临的一个困难是如何把保存于保险箱中的氢快速便捷地释放出来。

通常情况下，从保险箱中把氢释放岀来要靠裂解技术。氨裂解需要在大型设施中进行，操作温度至少在650～1000摄氏度。此外，氨裂解所需的催化剂通常由铂、钯、铑和钌等稀有贵金属制成。生产商不得不每年花费数十亿美元购买这种昂贵催化剂，而且还需要将大型反应器的温度升高至数百或上千摄氏度，因此也产生了大量的碳足迹。这些都大大增加了提取氢能的压力。

30多年前，莱斯大学的研发团队开始探索获取高效廉价的非贵金属催化剂制备方案。2011年，研发团队发现了等离子体粒子。这种粒子能够释放出被称为热载流子的高能电子。2016年，他们又发现热载流子可以与催化粒子结合，在催化剂的纳米颗粒表面形成“天线”材料，称为天线反应器。天线反应器的一部分从光中获取能量，另一部分将获取的能量以外科手术般的精度来驱动化学反应。

天线反应器让人们看到了希望。它可以大大提高催化剂的光吸收能力。与传统催化剂不同，有了天线反应器的催化剂不需要太多的热量，可以利用环境光，无论是太阳光还是LED光，它都能从中吸收能量并释放出热电子。其能量即使在室温环境下也足以启动一个有效的化学反应。

实验室测试结果表明，天线反应器可用铜或铁为基材。该研究最初的测试是在实验室一个装置中使用激光器产生的光进行的。Syzygy等离子公司将莱斯团队的研究成果进行了商业化，建造了一个规模为实验室装置500倍大的测试装置，使用的是LED照明光。在放大装置中，天线反应器仍然高效。这项研究成果近日发表在美国《科学》杂志网站上。

这可以说是一种新型铜-铁光催化剂。它避免了贵金属的使用，大大降低了生产商从氨中提取氢的成本，为企业节省了大量能源，同时生产过程也更加简便容易。Syzygy等离子公司根据这一催化剂的特性，制造出一台小型、可在常温下运行的氨裂解装置。项目负责人表示，最初版本的铜-铁光催化反应器大约有一台小型洗衣机那么大。这些反应器可以堆叠起来，同时运行多个反应器，可以提高氨裂解制氢的生产能力。

这一研发为获取可持续的、低成本的氢气铺平了道路。鉴于这种新型催化剂在显著减少碳排放方面的潜力，研发团队负责人表示，他们将进一步研究更丰富的金属组合催化剂，帮助化工企业降低成本、提高效益。