一种电化学方法可将氨转化为纯氢

氨（NH3）作为一种易于储存和运输的液体，是氢气载体的理想选择，而氢气则广泛应用于燃料电池、半导体制造、化学加工等领域。然而，将氨分解为氢气和氮气通常需要较高的温度，且生成的混合气体在用于许多应用之前还需经过额外的纯化处理。

麻省理工学院的研究人员如今开发出一种电化学方法，能够促进氢气从氨中释放，同时对氢气进行分离和浓缩，得到高纯度的氢气流。这种利用电力加速提取过程的策略，降低了从氨及其他氢气载体中回收氢气所需的温度和能耗。

在一项新研究中，研究人员证明了该方法能够生成高浓度、高纯度的氢气流。

“我们已经证明了利用电化学方法来推动热力学上不利、动力学上困难的脱氢反应的能力，”唐纳科学教授、化学与化学工程教授约格什·苏伦德拉纳特（Yogesh Surendranath）说道。“在这项研究中，我们研究了氨和一种液态有机分子的转化，因为它们作为氢经济中潜在氢载体的重要性。但我们在此获得的理念原则上可以进一步推广，我们正在积极尝试将其应用于其他重要的脱氢反应。”

苏伦德拉纳特是这项研究的通讯作者，该研究今天发表在《自然》杂志上。麻省理工学院博士后曾锐（Rui Zeng）是论文的第一作者，他现在是中国深圳哈尔滨工业大学的材料科学与工程教授。

提取氢气

氢气被广泛应用于半导体制造和化学加工领域，同时也是燃料电池中的能量载体，燃料电池利用氢气和氧气在不发生燃烧的情况下产生电力。然而，要扩大其应用范围，就需要找到切实可行的储存和分配方法。

氢气本身若不经过压缩或液化，很难被高效运输。一种替代方案是将氢气以化学形式储存在液态或易于液化的化合物中，然后在需要的时间和地点将其释放出来。

氨是一种有前景的氢气载体，因为它已经被大规模生产并运输至远距离，但从氨中回收氢气仍然具有挑战性。这一过程被称为“裂解”，需要高于500摄氏度的温度才能实现较高的反应速率和转化率。之后，氢气还必须与氮气及未反应的氨分离。

“我们想探究是否可以利用电力输入来推动原本不利的脱氢反应，同时以一种能将氢气从氢载体中分离出来的方式进行，这样得到的氢气就会非常纯净，可以直接用于燃料电池或其他需要高纯度氢气流的应用中，”苏伦德拉纳特说道。

研究人员这一新设计的关键要素，是通过熔融氢氧化物电解质将基于钯的分离膜与产氢电极耦合在一起。该分离膜能够选择性地传输氢气，同时阻止反应混合物中的其他成分通过。

在这一新装置中，氨首先经由含有钌和铯的催化剂发生脱氢反应。生成的氢气随后到达分离膜，该膜的另一侧与熔融氢氧化物电解质接触。

跨越这层膜的电化学梯度实际上为氢气创造了一种“真空”环境，为其穿越膜层提供了强大的驱动力。这一过程还将氢气转化为质子和电子，二者分别通过熔融电解质和外部电路进行传输，随后在第二个电极处重新结合形成氢气。

由于该膜能够选择性地传输氢气，整个系统无需额外的下游纯化步骤，就能生成浓缩的氢气流。

“利用这一电化学过程，我们能够实现将氢气从低浓度主动泵送到高浓度的效果，”苏伦德拉纳特说道。

持续提取氢气还有助于推动脱氢反应向前进行，尤其是在氢气的存在会抑制反应的情况下。通过这种方式，这一策略的作用不仅限于分离产物：它还改变了反应环境，使得在更温和的条件下也能实现氢气的回收。

因此，这一过程可以在约200至300摄氏度的温度下进行，远低于传统氨裂解所需的温度。另一个优势在于，该过程能够直接生成纯净的氢气流，无需后续再进行纯化处理——而纯化步骤通常需要消耗额外的能量。

不列颠哥伦比亚大学化学及化学与生物工程教授柯蒂斯·伯林盖特（Curtis Berlinguette）将这一方法描述为解决从氨及其他氢载体中获取纯氢气流这一难题的“强大新途径”。

“通过利用电力在氢气释放的同时将其拉过膜层，他们加速了氨和液态有机氢载体的脱氢过程，同时生成了纯化的氢气流。这对能源科学而言是一项重要进展，因为它为在稳定的化学载体中运输氢气，并在需要的时间和地点将其释放，开辟了一条可行的路径，”并未参与这项研究的伯林盖特说道。

为交通运输提供动力

在这项研究中，研究人员证明了这一方法不仅可用于氨的脱氢，还可用于甲基环己烷的脱氢。这种分子属于液态有机氢载体（LOHCs）这一类别，同样具备作为能量载体的潜力。

研究人员设想，这一新策略可用于交通运输领域，例如为汽车、公交车或轮船提供动力，也可用于制造半导体或电子产品。纯氢气在半导体制造的多个环节中都有应用，在提高制造良率和减少表面缺陷方面发挥着重要作用。

由于钯是一种昂贵的金属，研究人员目前正在研究如何减少分离膜所需的钯用量。他们还在致力于扩大这一工艺的规模，并将其应用于其他可能具有工业应用价值的脱氢反应。

这项研究由美国国家科学基金会资助。

Q&A

Q1：这种电化学方法从氨中提取氢气有什么优势？

A：该方法能在较低温度（约200至300摄氏度）下进行，远低于传统氨裂解所需的500摄氏度以上高温，同时能直接生成高纯度氢气流，无需额外的下游纯化处理，从而降低了能耗和成本。

Q2：这项技术的核心原理是什么？

A：核心是将基于钯的分离膜与产氢电极通过熔融氢氧化物电解质耦合。氨先经催化剂脱氢，生成的氢气通过分离膜时被转化为质子和电子分别传输，随后在另一电极重新结合形成纯净氢气，实现分离与浓缩同步完成。

Q3：这种技术未来可以应用在哪些领域？

A：研究人员设想该技术可用于交通运输领域，如为汽车、公交车、轮船提供动力，也可用于半导体制造和电子产品生产中所需的高纯度氢气供应，同时还能推广至其他氢载体的脱氢反应。