當(dāng)前的全球氣候緊急情況和我們迅速減少的能源資源促使人們尋找更清潔的替代品，如氫燃料。與化石燃料不同，在有氧氣的情況下燃燒時，氫氣會產(chǎn)生大量能量，但不會產(chǎn)生任何有害的溫室氣體。不幸的是，今天生產(chǎn)的大部分氫燃料來自天然氣或化石燃料，這最終會增加其碳足跡。
氨(NH3)是一種碳中性氫化合物，由于其高能量密度和高儲氫能力，最近引起了很多關(guān)注?？煞纸夥懦龅?dú)夂蜌錃狻０笨梢院苋菀椎匾夯?、儲存和運(yùn)輸，并在需要時轉(zhuǎn)化為氫燃料。然而，從氨生產(chǎn)氫氣是一個需要非常高能量的緩慢反應(yīng)。為了加快生產(chǎn)速度，通常使用金屬催化劑，這也有助于降低制氫過程中的整體能耗。
最近的研究發(fā)現(xiàn)，鎳 (Ni) 是一種很有前途的氨分解催化劑。氨吸附在鎳催化劑的表面，隨后氨中氮和氫之間的鍵斷裂，它們作為單獨(dú)的氣體釋放。然而，使用鎳催化劑獲得良好的氨轉(zhuǎn)化率通常涉及非常高的操作溫度。
在最近發(fā)表在ACS Catalysis 上的一項(xiàng)研究中，由 Masaaki Kitano 副教授領(lǐng)導(dǎo)的東京理工大學(xué)研究人員團(tuán)隊(duì)描述了一種解決鎳基催化劑所面臨問題的解決方案。他們開發(fā)了一種最先進(jìn)的亞胺鈣 (CaNH) 負(fù)載的鎳催化劑，可以在較低的工作溫度下實(shí)現(xiàn)良好的氨轉(zhuǎn)化。Kitano 博士解釋說：“我們的目標(biāo)是開發(fā)一種高效節(jié)能的高活性催化劑。我們將金屬酰亞胺添加到催化劑體系中不僅提高了其催化活性，還幫助我們解開了此類系統(tǒng)難以捉摸的工作機(jī)制。”
該團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，CaNH 的存在導(dǎo)致在催化劑表面形成 NH2-空位 (VNH)。這些活性物質(zhì)使 Ni/CaNH 在比鎳基催化劑發(fā)揮功能所需的溫度低 100°C 的反應(yīng)溫度下提高了催化性能。研究人員還開發(fā)了計算模型并進(jìn)行了同位素標(biāo)記，以了解催化劑表面發(fā)生的情況。計算提出了一種 Mars-van Krevelen 機(jī)制，該機(jī)制涉及氨吸附到 CaNH 表面，在 NH2-空位處活化，形成氮?dú)夂蜌錃猓詈笥?Ni 納米粒子促進(jìn)空位再生。
高活性和耐用的 Ni/CaNH 催化劑可以成功地用于從氨生成氫氣。此外，本研究提供的對催化機(jī)理的深入了解可用于開發(fā)新一代催化劑。“隨著全世界共同努力建設(shè)可持續(xù)發(fā)展的未來，我們的研究旨在解決我們在實(shí)現(xiàn)更清潔氫燃料經(jīng)濟(jì)的道路上面臨的問題，”北野博士總結(jié)道。
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