香港理工大学：先进钴基催化剂可以提高氨裂解制氢效率并降低成本

　　随着可再生能源和电动汽车的兴起，氢动力汽车引起了越来越多的关注。香港理工大学（Hong Kong Polytechnic University）应用物理系助理教授李孟珺（Molly Mengjung Li）教授一直致力于研究氨作为氢载体，并于近期研发出一种高效、低成本的催化剂，有助推动氢燃料汽车的实际应用。

　　全球向可持续能源的过渡使氢动力汽车处于清洁交通解决方案的最前沿。随着政府和行业努力使出行脱碳，氢燃料电池汽车因其高能效和零排放的特性而获得越来越多的认可。然而，氢能源汽车的广泛采用不仅取决于燃料电池技术的发展，还取决于氢本身的安全、高效、经济的储存和释放。

　　李教授和她的研究小组正在研究使用氨作为氢燃料载体的可能性，并研究氢储能的稳定性，以促进氢动力汽车的普及。他们的研究发表在《先进材料》杂志上，介绍了一种高效廉价的催化剂来促进氢生成反应。

　　氢（H2），当用于燃料电池时，与氧（O2）反应产生电能，只释放出水（H2O）作为副产物。这种反应提供了一种令人信服的替代化石燃料燃烧的方法，具有环境和操作上的优势。然而，长期以来，氢的低体积密度及其储存和运输方面的挑战一直被认为是其实际部署的重大障碍。

　　在提出的各种策略中，氨（NH3）等化学载体已成为有希望的解决方案。NH3拥有完善的生产和分销基础设施，高氢密度和释放氢而不产生碳氧化物的能力。因此，将NH3分解为N2和H2是燃料电池汽车车载制氢的关键反应。

　　尽管前景光明，但氨裂解技术的实际实施面临着一个主要障碍——对钌（Ru）基催化剂的依赖。钌催化剂是低温分解氨（NH3）的高效催化剂，但其稀缺性和高成本阻碍了其大规模应用。这激发了全球范围内的研究努力，以寻找基于地球上丰富的非贵金属的替代催化剂。

　　与其他过渡金属相比，钴（Co）具有良好的氮结合能和较低的催化剂中毒易感性，因此成为特别有吸引力的候选者。然而，传统的钴基催化剂通常需要高温（约600°C）才能达到令人满意的产氢率，这限制了它们在移动应用中的实用性，在移动应用中，能效和紧凑的反应器设计是最重要的考虑因素。

　　为了应对这些挑战，最近的研究集中在创新催化剂设计策略上，以提高钴基体系的低温活性。其中一种方法是在催化剂-载体界面上设计晶格应变，这可以调节活性位点的电子结构，从而优化它们与反应物的相互作用。从应变工程在其他催化系统中的进展中获得灵感，李教授的研究小组开发了一类新的core@shell催化剂，以Co@BaAl₂O₄₋ₓ异质结构为例。

　　通过对Co@BaAl₂O₄₋ₓ催化剂的性能测试，发现该催化剂在中等温度下具有显著的NH3分解活性。在高空速条件下，催化剂的产氢速率为64.6 mmol H₂ gcat-1 min-1，在475℃~ 575℃之间保持NH3几乎完全转化。这些结果与许多钌基催化剂相当，甚至超过了这些催化剂，但没有相关的成本和供应限制。

　　先进的表征技术，包括同步X射线吸收光谱和电子显微镜，证实了一个明确的core@shell结构的形成和反应后界面上氮物种的存在，突出了异质结构在促进催化过程中的关键作用。

　　“为了进一步阐明core@shell设计的优点，我们与缺少封装壳的常规负载型催化剂Co/BaAl₂O₄₋ₓ进行了对比研究。两种催化剂都是用相似的钴纳米颗粒制备的，以确保公平的比较。结果是惊人的：虽然两种体系都表现出随着温度的升高而增加的NH3转化率，但core@shell Co@BaAl₂O₄₋ₓ催化剂表现出明显较低的活性起始温度（200°C与250°C），并且在500°C下实现近乎完全的转化，而所支持的类似物的温度更高。此外，core@shell结构在高流速下表现出优越的稳定性，而负载型催化剂的性能则急剧下降。”

　　Co@BaAl₂O₄₋ₓ core@shell催化剂的开发代表了在寻求氢能源汽车氨裂解高效，无钌（Ru）催化剂方面的重大进步。通过利用晶格应变工程和强金属支撑相互作用，该系统实现了以前只有贵金属才能实现的低温活性和稳定性。

　　从这项工作中获得的机理见解不仅为清洁能源应用的下一代催化剂的设计提供了信息，而且强调了界面工程在多相催化中的变革潜力。随着氢经济的不断发展，这些创新将在实现氢作为未来移动出行可持续燃料的全部潜力方面发挥关键作用。

香港理工大学鸟瞰

　　（素材来自：香港理工大学 全球氢能网、新能源网综合）