廉價催化劑利用光能將氨轉化為氫，或成為氫經濟的關鍵

撰文 | Penn

編輯 | 郭郭

→這是《環(huán)球零碳》的第442篇原創(chuàng)

氫作為一種來源廣泛、清潔低碳同時應用場景十分豐富的二次能源，在全球能源向清潔化、低碳化、智能化轉型的進程中，再次成為了舉世矚目的焦點。氫能作為21世紀人類可持續(xù)發(fā)展最具潛力的二次清潔能源，是保障能源結構清潔化和多元化的重要支撐，被認為是未來能源替代的終極解決方案。

從日本“氫能社會”的愿景，到歐洲的“REpowerEU” 能源轉型行動方案，再到美國的《2022年通脹削減法案》，世界主要的發(fā)達國家和經濟體已將氫能視為能源轉型的重要戰(zhàn)略，并且在不遺余力地推動氫能產業(yè)的發(fā)展，試圖搶占氫能源發(fā)展的制高點。

在我國，發(fā)展氫能也被視為構建清潔低碳安全高效的能源體系、實現(xiàn)碳達峰碳中和目標的重要抓手。發(fā)展氫能于2019年被首次寫入《政府工作報告》。2022年3月，國家發(fā)展改革委、國家能源局聯(lián)合印發(fā)《氫能產業(yè)發(fā)展中長期規(guī)劃(2021—2035年)》，明確了氫的能源屬性，是未來國家能源體系的組成部分。同時，明確氫能是戰(zhàn)略性新興產業(yè)的重點方向，是構建綠色低碳產業(yè)體系、打造產業(yè)轉型升級的新增長點。

然而，若要實現(xiàn)氫能產業(yè)的大規(guī)模應用，面臨的挑戰(zhàn)主要是低成本高效能的燃料電池技術和安全高效的氫氣儲運技術。其中氫氣儲運難和安全性差是制約氫能產業(yè)發(fā)展的主要“瓶頸”。氨（NH3）因其具有高能量密度、液化儲運成本低、無碳儲能、安全性高等優(yōu)勢成為了一種高效的儲氫介質，有望解決傳統(tǒng)高壓儲運氫的難題。

圖說：“氨-氫”綠色能源循環(huán)經濟路線

來源：[3]

日前，來自美國萊斯大學（Rice University）、Syzygy Plasmonics Inc. 和普林斯頓大學的研究團隊僅使用廉價且豐富的過渡金屬（銅、鐵），創(chuàng)造了一種室溫下可運行的光驅動催化劑，它只需要光的能量就可將氨轉化為可清潔燃燒的氫。該反應由發(fā)光二極管驅動，可能與傳統(tǒng)氫載體系統(tǒng)中使用的貴金屬熱催化劑相競爭，相關研究成果已發(fā)表在Science上。未來，這種新的催化劑或成為氫經濟的關鍵。

氨作為氫載體的意義和挑戰(zhàn)

發(fā)展氨為儲氫介質，可貫通可再生能源、氫能和傳統(tǒng)產業(yè)，開發(fā)出一條符合我國能源結構特點的“清潔高效氨合成→安全低成本儲運氨→無碳高效‘氨-氫’利用”的全鏈條“氨-氫”綠色循環(huán)經濟路線，對保障國家能源環(huán)保安全和社會經濟可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。此外，發(fā)展以氨作為清潔高效的新能源，既實現(xiàn)了傳統(tǒng)合成氨工業(yè)的節(jié)能減排，又貫通了可再生能源和新能源產業(yè)，也將具有巨大的應用前景。

圖說：氨-氫能源零碳循環(huán)經濟

來源：[3]

氨可能非常好地攜帶氫氣，但如果你想使用氫氣，你需要“裂解”它以取出氫氣并將無害的氮氣釋放回大氣中。但由于兩個以下主要原因，導致將氨分解為氫的過程存在一定困難：首先，反應是吸熱的，因此大多數(shù)氨裂解是在至少 650-1,000 °C的溫度下運行的大型設施中完成的。其次，裂解操作所需的熱催化劑通常是鉑族金屬，如釕——相對稀有且昂貴。

因此，安全低溫氨分解催化劑及反應器技術就成為了擺在發(fā)展“氨-氫”能源綠色循環(huán)經濟路線面前的重要挑戰(zhàn)之一。

廉價光催化劑將氨轉化為氫

30 多年來，萊斯大學納米光子學實驗室的研究團隊一直致力于開發(fā)其“天線-反應器（antenna-reactor）”等離子體光催化劑。這些是催化劑的納米顆粒，點綴著小塊的“天線”材料，旨在提高催化劑吸收光的能力。經過適當調整，這些天線反應器顆粒從環(huán)境光（無論是陽光還是低能量 LED 的光）中吸收能量，并以足夠的能量踢出短命的“熱電子”，即使在環(huán)境溫度下也能開始有效的化學反應。

圖說：“天線反應器”光催化劑通過嵌入“反應器”催化劑中的小“天線”顆粒收集光能

來源：Syzygy Plasmonics

天線-反應器光催化劑可以被設計用于各種反應。例如，《環(huán)球零碳》上周寫過的用光催化劑直接分解硫化氫制氫，其背后就是同一個團隊，基本上也是同一個基本理念。之前的催化劑使用二氧化硅作為 "反應器"，用微小的金顆粒作為 "天線 "從光中吸收能量。詳見：新知 | 用光催化劑直接分解硫化氫，煉油副產品可高效低成本制氫

本次將氨分解為氫的光催化劑則以鐵作為其反應器，使用銅作為其光收集天線——這兩種金屬既便宜又儲量豐富，這與當今使用的典型銅-釕熱催化劑截然不同。

在實驗室測試中，研究人員制備了Cu-Fe-和Cu-Ru ARs催化劑，并發(fā)現(xiàn)Cu-Fe天線-反應器復合物（antenna-reactor complex）中的鐵活性位點在超快脈沖照明下實現(xiàn)了與Ru釕基熱催化劑相當?shù)霓D換頻率。當用發(fā)光二極管而不是激光照射時，即使反應的規(guī)模增加了近三個數(shù)量級，但光催化效率仍然沒有下降。

圖說：用于銅-鐵等離子體光催化劑的氨制氫測試的反應池（左）和光催化平臺（右）

來源：Syzygy Plasmonics

根據(jù)萊斯校友和研究合著者 Hossein Robatjazi 的說法，“在光照下，銅-鐵顯示出與銅-釕相似且相當?shù)男屎头磻浴?rdquo;這一結果證明了用地球富含的過渡金屬從氨載體中高效、光驅動生產氫氣的潛力。

該研究的合著者萊斯大學的Naomi Halas教授則表示：“像鐵這樣的過渡金屬通常是不良的熱催化劑，這項工作表明它們可以成為高效的等離子體光催化劑。它還表明，使用廉價的 LED 光子源可以有效地進行光催化。”

未來發(fā)展

最初的測試是使用激光器提供的光，在一個微小的實驗裝置中進行的。該研究的合著者Naomi Halas也是Syzygy Plasmonics公司的聯(lián)合創(chuàng)始人，該公司資金雄厚，旨在將萊斯團隊的研究商業(yè)化，在獲得萊斯大學天線反應器技術和催化劑的許可后，該公司使用商用 LED 驅動反應器中對催化劑進行了放大測試。Syzygy 測試表明，催化劑在 LED 照明下保持其效率，并且規(guī)模比實驗室設置大 500 倍。

圖說：銅-鐵等離子體光催化劑在氨裂解氫方面與典型的釕基催化劑一樣有效

來源：Rice University

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生產出克級數(shù)量的氫氣。這為在等離子體光催化中完全取代貴金屬打開了大門。這項工作中表明，基于 LED 的化學實際上是可行的，而且可以大規(guī)模實施。它可以為工業(yè)規(guī)模的化學和工業(yè)上重要的反應做出貢獻。"

萊斯大學的合著者彼得·諾德蘭德 ( Peter Nordlander ) 說：“這一發(fā)現(xiàn)為可持續(xù)的、低成本的氫氣鋪平了道路，這種氫氣可以在本地生產，而不是在大規(guī)模的集中式工廠中生產。”

這項技術將在未來帶來小型、可靠、輕量級和冷卻的氨裂解裝置，而不需要像現(xiàn)在一樣在數(shù)百度的高溫下運行大規(guī)模的集中式設備。Syzygy表示，其最初的Rigel光催化反應器產品大約有一臺小型洗衣機那么大，每天處理大約一噸，這取決于它所運行的具體反應。這些反應器可以堆疊起來；如果你需要更大的產量，你可以同時運行一堆反應器。

圖說：Syzygy 的 Rigel 光催化反應器大約只有洗衣機那么大（右）并可進行堆疊

來源：Syzygy Plasmonics

這項技術帶來的影響可能是革命性的，它將從根本上提高清潔貨物和旅客運輸?shù)姆秶Ｎ磥恚梢栽谌魏涡枰牡胤綄⑷菀變Υ娴陌鞭D化為容易使用的氫氣，可能是一艘貨輪，可能是一輛新能源汽車，也可能是任何其他氫能可以應用的場景。

"鑒于其大幅減少化工行業(yè)碳排放的潛力，質子天線-反應器光催化劑值得進一步研究，"另一位合著者Emily Carter補充說。"這些結果是一個很大的動力。它們表明，其他豐富的金屬組合有可能被用作廣泛的化學反應的成本效益催化劑。"

Syzygy Plasmonics表示，它們預計在2023年將這些光催化氨裂解反應器投入商業(yè)使用。屆時，這將為氨-氫能源零碳循環(huán)經濟帶來新一輪的革命，并將助力整個化學工業(yè)在此過程中脫碳。