- 天線光催化劑讓氨制氫簡單易行
- 發(fā)布日期：2022-12-26
美國科學(xué)日報(bào)網(wǎng)站近日發(fā)布消息，美國萊斯大學(xué)、Syzygy等離子股份有限公司和普林斯頓大學(xué)能源與環(huán)境中心組成的研發(fā)團(tuán)隊(duì)，開發(fā)成功一種新型的銅-鐵光催化劑。這種催化劑可以在室溫下輕松地將氨轉(zhuǎn)化為清潔的氫燃料，其效率不亞于傳統(tǒng)的價(jià)格昂貴的貴金屬催化劑，為氫能的經(jīng)濟(jì)性應(yīng)用提供了技術(shù)解決方案。
氫能被認(rèn)為是21世紀(jì)最具發(fā)展?jié)摿Φ那鍧嵞茉?，但氫容易氣化、燃燒和爆炸。如何安全地?chǔ)存和運(yùn)輸，是氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵要素之一。氨作為一種載體，每個(gè)氮原子結(jié)合了3個(gè)氫原子，含氫量高達(dá)17.6%。所以人們將氨稱為儲(chǔ)運(yùn)氫的保險(xiǎn)箱。但同時(shí)人們面臨的一個(gè)困難是如何把保存于保險(xiǎn)箱中的氫快速便捷地釋放出來。
通常情況下，從保險(xiǎn)箱中把氫釋放岀來要靠裂解技術(shù)。氨裂解需要在大型設(shè)施中進(jìn)行，操作溫度至少在650～1000攝氏度。此外，氨裂解所需的催化劑通常由鉑、鈀、銠和釕等稀有貴金屬制成。生產(chǎn)商不得不每年花費(fèi)數(shù)十億美元購買這種昂貴催化劑，而且還需要將大型反應(yīng)器的溫度升高至數(shù)百或上千攝氏度，因此也產(chǎn)生了大量的碳足跡。這些都大大增加了提取氫能的壓力。
30多年前，萊斯大學(xué)的研發(fā)團(tuán)隊(duì)開始探索獲取高效廉價(jià)的非貴金屬催化劑制備方案。2011年，研發(fā)團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了等離子體粒子。這種粒子能夠釋放出被稱為熱載流子的高能電子。2016年，他們又發(fā)現(xiàn)熱載流子可以與催化粒子結(jié)合，在催化劑的納米顆粒表面形成“天線”材料，稱為天線反應(yīng)器。天線反應(yīng)器的一部分從光中獲取能量，另一部分將獲取的能量以外科手術(shù)般的精度來驅(qū)動(dòng)化學(xué)反應(yīng)。
天線反應(yīng)器讓人們看到了希望。它可以大大提高催化劑的光吸收能力。與傳統(tǒng)催化劑不同，有了天線反應(yīng)器的催化劑不需要太多的熱量，可以利用環(huán)境光，無論是太陽光還是LED光，它都能從中吸收能量并釋放出熱電子。其能量即使在室溫環(huán)境下也足以啟動(dòng)一個(gè)有效的化學(xué)反應(yīng)。
實(shí)驗(yàn)室測試結(jié)果表明，天線反應(yīng)器可用銅或鐵為基材。該研究最初的測試是在實(shí)驗(yàn)室一個(gè)裝置中使用激光器產(chǎn)生的光進(jìn)行的。Syzygy等離子公司將萊斯團(tuán)隊(duì)的研究成果進(jìn)行了商業(yè)化，建造了一個(gè)規(guī)模為實(shí)驗(yàn)室裝置500倍大的測試裝置，使用的是LED照明光。在放大裝置中，天線反應(yīng)器仍然高效。這項(xiàng)研究成果近日發(fā)表在美國《科學(xué)》雜志網(wǎng)站上。
這可以說是一種新型銅-鐵光催化劑。它避免了貴金屬的使用，大大降低了生產(chǎn)商從氨中提取氫的成本，為企業(yè)節(jié)省了大量能源，同時(shí)生產(chǎn)過程也更加簡便容易。Syzygy等離子公司根據(jù)這一催化劑的特性，制造出一臺(tái)小型、可在常溫下運(yùn)行的氨裂解裝置。項(xiàng)目負(fù)責(zé)人表示，最初版本的銅-鐵光催化反應(yīng)器大約有一臺(tái)小型洗衣機(jī)那么大。這些反應(yīng)器可以堆疊起來，同時(shí)運(yùn)行多個(gè)反應(yīng)器，可以提高氨裂解制氫的生產(chǎn)能力。
這一研發(fā)為獲取可持續(xù)的、低成本的氫氣鋪平了道路。鑒于這種新型催化劑在顯著減少碳排放方面的潛力，研發(fā)團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人表示，他們將進(jìn)一步研究更豐富的金屬組合催化劑，幫助化工企業(yè)降低成本、提高效益。
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