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上海交大林赫课题组ACS Catalysis：电力驱动助力低温气相氨分解制氢

研之成理 · 公众号 · 科研 · 2025-03-03 08:00

正文

▲第一作者：汪晓超

共同通讯作者：林赫、张毅然

通讯单位：上海交通大学

论文DOI：10.1021/acscatal.4c06371 （点击文末「阅读原文」，直达链接）

研究背景

绿氢在汽车、船舶、可再生电力储存及工业应用中展现出巨大的应用前景，是一种理想的零碳燃料。然而，绿氢的存储运输困难且成本高，氨具有较高的含氢量（17.8 wt%）以及易于液化的优势，是一种理想的储氢载体，作为世界第二大化工产品，具有完备的储运基础设施。利用氨分解制氢技术实现站内（ on-site ）制氢，可解决氢气储运难题。氨分解反应（ 2NH ₃ (g) 🟰 N ₂ (g)+3H ₂ (g) ）在 300℃ 、 1bar 条件下，理论平衡转化率可超过 95% 。但由于反应存在较大的动力学阻力，传统的热催化氨分解过程通常需要 400℃ 以上的高温才能实现 80% 以上的氨分解转化率。因此，当前迫切需要开发温和条件下高效、低能耗的氨分解制氢新技术。

全文速览

上海交通大学林赫教授课题组在国际顶级期刊《 ACS Catalysis 》发表题为 “Electrically driven gaseous ammonia decomposition for hydrogen production over SiC-mediated catalyst without external heating” 的研究论文。研究团队开发了电场辅助催化技术，利用第三代半导体 SiC 的宽禁带和高导热性，设计合成了具有高电场传输能力的 SiC 复合催化剂，实现了纯电力驱动、无外热源下的高效气相氨分解制氢（ EADR 策略）。在大约 230℃ 下实现了 85% 的氨分解转化效率，产氢率最高达 0.578 mmol g _cat. ^-1 s ^-1 , 电力能耗评价仅为传统热催化的四分之一。

本文亮点

（1）设计合成了具有高电场传输能力的 SiC 复合催化剂，实现了纯电力驱动、无外热源下的高效气相氨分解制氢（ EADR 策略）；

（2）动力学及谱学表征技术表明，电场下的载流子增强活化提高了金属 - 氮（ metal-N ）的反键轨道电子密度，促进了氮的解吸；质子（ H ⁺ ）在电场中的跃迁削弱了低温下氢的毒害。

（3）设计了具备强抗震、低流阻特性的 SiC 蜂窝载体催化剂，助力电驱动气相氨分解技术在移动源设备上的应用。

图文解析

通过沉积沉淀法结合高压研磨的方式合成了 Ru/Al ₂ O ₃ -SiC 电场复合催化剂，并设计优化了电驱动气相氨分解系统（图 1a ）。温度测量结果表明整个床层的反应温度不超过 300℃ （图 1b-c ）。

图 1 电驱动气相氨分解策略

测试了电场输入功率 3-10W 的氨分解性能（图 2 ），结果表明氨分解在低温下仍然保持了高转化率。催化剂 2Ru/Al ₂ O ₃ -SiC 在 10W 的输入功率下（平均温度 230℃ ）实现了 85% 的氨分解转化率（空速 12,000mL g _cat. ^-1 h ^-1 ） , 远超文献中传统外部加热氨分解制氢（ TADR ）的性能（图 2a-c ）。实现最高 0.578 mmol g _cat. ^-1 s ^-1 的产氢率（图 2d ），对应的电 - 氢转换效率达 62.4% 。基于此，测试了反应系统 100 小时的稳定性（图 2e-f ） , 结果表明该电驱动策略在 100 小时无性能衰减，催化剂保持高度稳定。

图 2 电驱动气相氨分解性能

EADR 的表观活化能在 6W 的输入功率下低至 3.1 kJ mol ^-1 , 而相应的 TADR 表观活化能为 81.3 kJ mol ^-1 ，表明两者反应机理存在很大差异（图 3a ）， NH ₃ 反应级数表明中间氮物种的解离在 EADR 中更易发生（图 3b ），而 H ₂ 的反应级数表明氢抑作用在电场中被有效削弱 ( 图 3c) 。

图 3 动力学分析

结合系列谱学分析，推测 EADR 策略遵循图 4 所示的反应机理：稳定的电场在催化剂床层中形成了一个方向性的电势梯度，促进了载流子的迁移。在该条件下，一方面，电子更易进入 metal-N 反键轨道，从而促进了速控步骤 N 的解离脱附。另一方面，质子（ H ⁺ ）在催化剂表面加速跃迁，不仅增加了反应物之间的碰撞频率，也使活性位点的氢物种覆盖度减小，活性位点得以充分暴露，大大增加了氨分解反应位点。

图 4 TADR 与 EADR 机理比较

基于 EADR 策略在低温氨分解制氢领域的巨大优势，本研究设计并开发了相应的 SiC 蜂窝载体催化剂，该催化剂具备强抗震、低流阻特性（图 5a-f ） , 相较于 TADR ，也展现出了优异的氨分解性能（图 5g ）。该蜂窝载体催化剂有望应用于移动源（燃料电池汽车）的在线制氢场景。

图 5 SiC 蜂窝载体电场催化剂

总结与展望

本工作成功设计并开发了电驱动气相氨分解制氢系统。基于 Ru 基 SiC 复合催化剂实现了气相氨在低温下的高效分解。系列表征表明氨分解在电场中的机理不同于在传统热催化下的机理，电场在催化剂床层中形的方向性电势梯度促进了载流子的迁移，一方面增加了 metal-N 反键轨道的电子密度，从而使氮的解吸加速，另一方面也促进了质子（ H ⁺ ）的跃迁，使得氢抑得以削弱。我们相信本工作报道的电驱动气相氨分解策略能够有效助力解决氢储运难题，满足用氢设备在线制氢需求。

作者介绍

林赫， 上海交通大学长聘教授，博士生导师，上海交通大学新能源动力研究所所长，无锡碳中和动力技术创新中心常务副主任。主要从事燃烧污染物生成机理、发动机排气净化、温室气体排放控制、材料燃烧合成等研究。近年来承担科技部 973 计划子课题、国家自然科学基金、上海市高端智能装备项目等各类科研课题 30 余项，获上海市技术发明二等奖（ 2017 ）、上海市自然科学二等奖（ 2009 ），发表论文 100 余篇。入选教育部新世纪人才和上海市青年科技启明星。担任中国内燃机学会理事，中国内燃机学会后处理技术分会秘书长、副主任委员，中国汽车工业协会后处理系统分会副理事长。

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