廉价催化剂利用光能将氨转化为氢，或成为氢经济的关键

撰文 | Penn

编辑 | 郭郭

→这是《环球零碳》的第442篇原创

氢作为一种来源广泛、清洁低碳同时应用场景十分丰富的二次能源，在全球能源向清洁化、低碳化、智能化转型的进程中，再次成为了举世瞩目的焦点。氢能作为21世纪人类可持续发展最具潜力的二次清洁能源，是保障能源结构清洁化和多元化的重要支撑，被认为是未来能源替代的终极解决方案。

从日本“氢能社会”的愿景，到欧洲的“REpowerEU” 能源转型行动方案，再到美国的《2022年通胀削减法案》，世界主要的发达国家和经济体已将氢能视为能源转型的重要战略，并且在不遗余力地推动氢能产业的发展，试图抢占氢能源发展的制高点。

在我国，发展氢能也被视为构建清洁低碳安全高效的能源体系、实现碳达峰碳中和目标的重要抓手。发展氢能于2019年被首次写入《政府工作报告》。2022年3月，国家发展改革委、国家能源局联合印发《氢能产业发展中长期规划(2021—2035年)》，明确了氢的能源属性，是未来国家能源体系的组成部分。同时，明确氢能是战略性新兴产业的重点方向，是构建绿色低碳产业体系、打造产业转型升级的新增长点。

然而，若要实现氢能产业的大规模应用，面临的挑战主要是低成本高效能的燃料电池技术和安全高效的氢气储运技术。其中氢气储运难和安全性差是制约氢能产业发展的主要“瓶颈”。氨（NH3）因其具有高能量密度、液化储运成本低、无碳储能、安全性高等优势成为了一种高效的储氢介质，有望解决传统高压储运氢的难题。

图说：“氨-氢”绿色能源循环经济路线

来源：[3]

日前，来自美国莱斯大学（Rice University）、Syzygy Plasmonics Inc. 和普林斯顿大学的研究团队仅使用廉价且丰富的过渡金属（铜、铁），创造了一种室温下可运行的光驱动催化剂，它只需要光的能量就可将氨转化为可清洁燃烧的氢。该反应由发光二极管驱动，可能与传统氢载体系统中使用的贵金属热催化剂相竞争，相关研究成果已发表在Science上。未来，这种新的催化剂或成为氢经济的关键。

氨作为氢载体的意义和挑战

发展氨为储氢介质，可贯通可再生能源、氢能和传统产业，开发出一条符合我国能源结构特点的“清洁高效氨合成→安全低成本储运氨→无碳高效‘氨-氢’利用”的全链条“氨-氢”绿色循环经济路线，对保障国家能源环保安全和社会经济可持续发展具有重要意义。此外，发展以氨作为清洁高效的新能源，既实现了传统合成氨工业的节能减排，又贯通了可再生能源和新能源产业，也将具有巨大的应用前景。

图说：氨-氢能源零碳循环经济

来源：[3]

氨可能非常好地携带氢气，但如果你想使用氢气，你需要“裂解”它以取出氢气并将无害的氮气释放回大气中。但由于两个以下主要原因，导致将氨分解为氢的过程存在一定困难：首先，反应是吸热的，因此大多数氨裂解是在至少 650-1,000 °C的温度下运行的大型设施中完成的。其次，裂解操作所需的热催化剂通常是铂族金属，如钌——相对稀有且昂贵。

因此，安全低温氨分解催化剂及反应器技术就成为了摆在发展“氨-氢”能源绿色循环经济路线面前的重要挑战之一。

廉价光催化剂将氨转化为氢

30 多年来，莱斯大学纳米光子学实验室的研究团队一直致力于开发其“天线-反应器（antenna-reactor）”等离子体光催化剂。这些是催化剂的纳米颗粒，点缀着小块的“天线”材料，旨在提高催化剂吸收光的能力。经过适当调整，这些天线反应器颗粒从环境光（无论是阳光还是低能量 LED 的光）中吸收能量，并以足够的能量踢出短命的“热电子”，即使在环境温度下也能开始有效的化学反应。

图说：“天线反应器”光催化剂通过嵌入“反应器”催化剂中的小“天线”颗粒收集光能

来源：Syzygy Plasmonics

天线-反应器光催化剂可以被设计用于各种反应。例如，《环球零碳》上周写过的用光催化剂直接分解硫化氢制氢，其背后就是同一个团队，基本上也是同一个基本理念。之前的催化剂使用二氧化硅作为 "反应器"，用微小的金颗粒作为 "天线 "从光中吸收能量。详见：新知 | 用光催化剂直接分解硫化氢，炼油副产品可高效低成本制氢

本次将氨分解为氢的光催化剂则以铁作为其反应器，使用铜作为其光收集天线——这两种金属既便宜又储量丰富，这与当今使用的典型铜-钌热催化剂截然不同。

在实验室测试中，研究人员制备了Cu-Fe-和Cu-Ru ARs催化剂，并发现Cu-Fe天线-反应器复合物（antenna-reactor complex）中的铁活性位点在超快脉冲照明下实现了与Ru钌基热催化剂相当的转换频率。当用发光二极管而不是激光照射时，即使反应的规模增加了近三个数量级，但光催化效率仍然没有下降。

图说：用于铜-铁等离子体光催化剂的氨制氢测试的反应池（左）和光催化平台（右）

来源：Syzygy Plasmonics

根据莱斯校友和研究合著者 Hossein Robatjazi 的说法，“在光照下，铜-铁显示出与铜-钌相似且相当的效率和反应性。”这一结果证明了用地球富含的过渡金属从氨载体中高效、光驱动生产氢气的潜力。

该研究的合著者莱斯大学的Naomi Halas教授则表示：“像铁这样的过渡金属通常是不良的热催化剂，这项工作表明它们可以成为高效的等离子体光催化剂。它还表明，使用廉价的 LED 光子源可以有效地进行光催化。”

未来发展

最初的测试是使用激光器提供的光，在一个微小的实验装置中进行的。该研究的合著者Naomi Halas也是Syzygy Plasmonics公司的联合创始人，该公司资金雄厚，旨在将莱斯团队的研究商业化，在获得莱斯大学天线反应器技术和催化剂的许可后，该公司使用商用 LED 驱动反应器中对催化剂进行了放大测试。Syzygy 测试表明，催化剂在 LED 照明下保持其效率，并且规模比实验室设置大 500 倍。

图说：铜-铁等离子体光催化剂在氨裂解氢方面与典型的钌基催化剂一样有效

来源：Rice University

Halas表示"这是科学文献中的第一份报告，表明用LED的光催化作用可以从氨中生产出克级数量的氢气。这为在等离子体光催化中完全取代贵金属打开了大门。这项工作中表明，基于 LED 的化学实际上是可行的，而且可以大规模实施。它可以为工业规模的化学和工业上重要的反应做出贡献。"

莱斯大学的合著者彼得·诺德兰德 ( Peter Nordlander ) 说：“这一发现为可持续的、低成本的氢气铺平了道路，这种氢气可以在本地生产，而不是在大规模的集中式工厂中生产。”

这项技术将在未来带来小型、可靠、轻量级和冷却的氨裂解装置，而不需要像现在一样在数百度的高温下运行大规模的集中式设备。Syzygy表示，其最初的Rigel光催化反应器产品大约有一台小型洗衣机那么大，每天处理大约一吨，这取决于它所运行的具体反应。这些反应器可以堆叠起来；如果你需要更大的产量，你可以同时运行一堆反应器。

图说：Syzygy 的 Rigel 光催化反应器大约只有洗衣机那么大（右）并可进行堆叠

来源：Syzygy Plasmonics

这项技术带来的影响可能是革命性的，它将从根本上提高清洁货物和旅客运输的范围。未来，它可以在任何需要的地方将容易储存的氨转化为容易使用的氢气，可能是一艘货轮，可能是一辆新能源汽车，也可能是任何其他氢能可以应用的场景。

"鉴于其大幅减少化工行业碳排放的潜力，质子天线-反应器光催化剂值得进一步研究，"另一位合著者Emily Carter补充说。"这些结果是一个很大的动力。它们表明，其他丰富的金属组合有可能被用作广泛的化学反应的成本效益催化剂。"

Syzygy Plasmonics表示，它们预计在2023年将这些光催化氨裂解反应器投入商业使用。届时，这将为氨-氢能源零碳循环经济带来新一轮的革命，并将助力整个化学工业在此过程中脱碳。