近日，萊斯大學(xué)的研究人員為氫經(jīng)濟設計了一種光活化納米材料。僅使用廉價(jià)的原材料，研究人員合成出一種可擴展的催化劑，只需要光（LED）的力量就能將氨轉化為清潔燃燒的氫燃料。這一發(fā)現為可持續的、低成本的氫氣鋪平了道路，這種氫氣可以在當地生產(chǎn)，而不是在大規模的集中式工廠(chǎng)生產(chǎn)。

這項研究于11月24日發(fā)表在《Science》雜志上，由萊斯大學(xué)納米光子學(xué)實(shí)驗室、Syzygy Plasmonics公司和普林斯頓大學(xué)Andlinger能源與環(huán)境中心的團隊合作完成。

在該研究中，Halas、Nordlander、萊斯大學(xué)校友Hossein Robatjazi、普林斯頓大學(xué)工程師和物理化學(xué)家Emily Carter等人表明，由銅和鐵制成的天線(xiàn)反應器顆粒在轉化氨方面非常有效。顆粒中的銅、能量收集片從可見(jiàn)光中捕捉能量。

具體地，萊斯大學(xué)Naomi J. Halas等人證明了等離子體光催化可以在光照下將熱惰性的、富含地球的過(guò)渡金屬轉化為催化活性位點(diǎn)。在超快脈沖照明下，Cu-Fe復合體中的Fe活性位點(diǎn)實(shí)現了非常類(lèi)似于Ru的氨光催化分解效率。當用發(fā)光二極管照射時(shí)，即使反應規模增加了近三個(gè)數量級，光催化效率保持相當。這一結果證明了用儲量豐富的過(guò)渡金屬從氨載體高效生產(chǎn)氫氣的潛力。

在這項研究中，團隊的研究?jì)热莅ㄒ韵氯c(diǎn)：

1、對比了Cu-Fe-和Cu-Ru ARs氨分解反應催化性

制備了Cu-Fe-和Cu-Ru ARs催化劑，證實(shí)了Cu-Fe-AR表現出與報道的最有效的Ru基熱催化劑相當的轉換頻率，并通過(guò)使用碳氫化合物注入模型表明，入射光子的量子效率更多地取決于MAO能級上HC的產(chǎn)生。

2、探究了微觀(guān)反應機制

通過(guò)理論計算探究了Cu-Fe-AR上的微觀(guān)反應機制，表明限速反應步驟是N2在Cu-Fe-AR上的締合解吸。

3、驗證了光驅動(dòng)NH3分解

研究了可見(jiàn)光驅動(dòng)的NH3分解，證實(shí)了Cu-Fe-AR催化劑的高NH3轉化率、高H2產(chǎn)率以及穩定性。并通過(guò)在具有市售LED的克級光反應器，證明了從NH3產(chǎn)生低溫綠色H2的潛在可擴展性。

圖 帶電光催化氨分解生產(chǎn)克級H2

通過(guò)研究，作者發(fā)現了使用發(fā)光二極管作為光源在室溫下光催化驅動(dòng)氨裂解的可行性，在定制的光反應器中將反應放大了近三個(gè)數量級。在LED照明下，Cu-Fe-AR仍然表現出非常高的光催化活性，實(shí)現了高達72%的NH3轉化率。同時(shí)通過(guò)反應器優(yōu)化，實(shí)現了在Cu-Fe-AR催化劑上高達18g/天的H2產(chǎn)率，將光子-氫氣轉換效率提升至15.6%。

"像鐵這樣的過(guò)渡金屬通常是熱催化劑，"研究報告的共同作者、萊斯大學(xué)的Naomi Halas表示："這項工作表明它們可以成為高效的等離子體光催化劑。它還表明，光催化可以用廉價(jià)的LED光子源有效地進(jìn)行。"

近年來(lái)，政府和產(chǎn)業(yè)眾多機構持續投資創(chuàng )建無(wú)碳液態(tài)氨燃料基礎設施和市場(chǎng)，因其不會(huì )造成溫室效應，而這項研究很好地呼應了該主題，與其具有協(xié)同作用。由于液氨易于運輸，而且蘊含大量的能量，因此是一種前途廣闊的未來(lái)清潔燃料。

"鑒于它們在大幅減少化工行業(yè)碳排放方面的潛力，該光催化劑值得進(jìn)一步研究。"相關(guān)研究人員補充說(shuō)道。