廉价的催化剂利用光能可以将氨转化为氢燃料

现在，化学领域的一项根本性突破有望使氨成为一种清洁燃料，并在这一过程中帮助整个化工行业脱碳。

上图：Syzygy的LED驱动光反应器和Rice大学的非常有效的纳米工程光催化剂预示着工业化学的一场环境关键革命。

莱斯大学的研究人员发明了一种小型LED驱动装置，可以在飞行中将氨气转化为氢气。它使用一种光驱动催化剂，其效率与昂贵的热催化剂一样高，后者需要1000度的温度才能运行，而且它是由廉价、充足的铜和铁制成的。这只是一项技术的开始，这项技术可以从根本上降低工业化学的成本和能源消耗。

氢是一种非常有前途的清洁燃料，可以燃烧，也可以通过燃料电池直接转化为电能。然而，它既昂贵又难以处理，因为它是一种超轻气体，需要压缩到700个大气压，或者在绝对零度范围内进行低温冷却才能达到液态。

众所周知，氨是比氢气本身更好的氢载体，它的每个氮原子与三个氢原子结合，虽然它具有腐蚀性，在高浓度时非常危险，但在大气温度和压力下，它是一种稳定的液体，它在许多行业的广泛使用意味着，人们有足够的经验在各种条件下安全处理它。

氨气携带氢气的能力虽然特别好，但如果你想利用氢气，你就需要“裂解”它，把氢气取出来，把无害的氮释放回大气中。但这很难实现，主要有两个原因：首先，反应是吸热的，所以大多数氨裂解是在大型设施中进行的，操作温度至少为650- 1000°C。其次，裂解操作所需的热催化剂通常是像钌这样的铂族金属 —— 相对稀有和昂贵。

随着绿色氢气运动成为向清洁能源过渡的关键支柱，你就可以理解为什么莱斯大学团队研发的方法（在室温下催化这种裂解反应，只使用铜和铁）非常令人兴奋。

上图：该团队的“天线反应器”光催化剂通过嵌入在“反应器”催化剂中的小“天线”颗粒收集光，从而为它们提供催化各种化学反应所需的能量。

这归根结底是光催化。这个团队已经工作了30多年，致力于开发“天线-反应堆”等离子体光催化剂。这些是催化剂的纳米颗粒，点缀着一种“天线”材料的小块，旨在增加催化剂的吸收光的能力。经过适当的调整，这些天线-反应堆粒子从环境光中吸收能量（无论是太阳光，还是来自低能量LED的光），并释放出短暂的“热电子”，即使在环境温度下，也有足够的能量开始有效的化学反应。

天线反应器光催化剂可以设计用于各种各样的反应。例如，来自同一研发团队的光能硫化氢转化为氢的催化剂，本质上是同一个潜在的想法。它使用二氧化硅作为“反应堆”催化剂，用微小的金粒子作为“天线”，从光中吸收能量。

这种氨裂解光催化剂使用铁作为它的反应釜，铜作为它的光收集天线 —— 这两种金属都是廉价而丰富的，与今天使用的典型的铜钌热催化剂不同。在实验室测试中，“在光照下，铜-铁显示出的效率和反应活性，与铜-钌的相似和可比。”

上图：最初实验室测试中使用的小型激光动力电池（左）与Syzygy更大的激光动力测试台。

最初的测试是在一个微小的实验装置中使用激光提供的光进行的。但这项研究的合著者娜奥米·哈拉斯（Naomi Halas）也是 Syzygy Plamonics 的联合创始人，这是一家资金雄厚的公司，旨在将莱斯团队的工作商业化。Syzygy Plamonics 能够获得这种特殊催化剂的许可，并建造了一个大约500倍的试验台，使用高效的LED照明而不是激光。催化剂仍然能保持同样的效率。

娜奥米·哈拉斯说：“这是科学文献中第一份表明用LED光催化可以从氨中产生克级数量的氢气的报告。这打开了在等离子体光催化中完全取代贵金属的大门。”

因此，这项技术最值得我们关注的是，铜-铁光催化剂会使从氨中提取氢气变得更便宜和更容易。而且，它也不需要加热，所以也会节省能源和排放。

也许最重要的是，这将研发出一种小型、可靠、轻便、低温的氨气裂解装置，而不是在数百度的温度下运行。Syzygy Plamonics 表示，其最初的Rigel光分解反应器产品约为一台小型洗衣机的大小，根据其运行的具体反应，每天处理约一吨。它们可以堆叠在一起；如果您需要更大的输出，可以同时运行它们。

上图：Syzygy的Rigel光催化反应器大约有洗衣机大小（右），但它可以堆叠部署（左）。

也许你可以在一艘电动货船上配备一排这样的东西，在需要的地方将容易储存的氨气转化为容易使用的氢气。这本身就可能是绝对的革命性的，从根本上扩大清洁货运和客运的范围。

也许这一概念可能被证明是小而轻的，足以适用于航空业，因为氨中储存的氢的能量密度，可能会扩大目前没有喷气燃料无法达到的范围。也许它最终会小到可以装在电动汽车里，你可以在加油站加满氨。

这就是这种特殊的光催化剂，莱斯大学和 Syzygy 团队当然不会止步于此。事实上，该公司的目标是让热催化剂退出该领域。

另一位合著者艾米丽·卡特（Emily Carter）补充说：“鉴于等离子体天线反应器光催化剂在显著减少化学部门碳排放方面的潜力，它们值得进一步研究。这些结果是一个巨大的动力。丰富金属的其他组合很可能被用作广泛化学反应的低成本催化剂。”

上图：显示了早期的钯/铝催化剂。彩色电子光谱图显示了“钯岛周围单个等离子体模式的空间分布。这些等离子体模式负责捕获光能并将其传递到催化剂颗粒。”

“催化是化学工业的基础，”另一位合著者、Syzygy的联合创始人彼得·诺德兰德（Peter Nordlander）说，“它是整个社会消耗能源最多的部分之一。”

“我们在这项工作中表明，”哈拉斯补充道，“基于LED的化学实际上是可行的，而且是可以大规模实现的。它可以促进工业规模的化学和工业上重要的反应。”

Syzygy 表示，他们已经启动了这种反应，并在现场试验中运行，并预计在2023年将这些光催化氨裂解反应堆商业化。

这是一项非常令人兴奋的技术，在许多行业都具有巨大的潜力，并有助于脱碳。

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