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，并有助于整个化学工业脱碳。
上图：莱斯大学的 LED 驱动光反应器和莱斯大学的高效纳米光催化剂预示着工业化学领域一场对环境至关重要的革命。
莱斯大学的研究人员发明了一种小型 LED 驱动装置，可以即时将氨转化为氢气。它使用一种光驱动催化剂，其效率与需要 1,000 度高温才能运行的昂贵热催化剂一样高，而且它由廉价、丰富的铜和铁制成。这只是一项可以大幅降低工业化学成本和能耗的技术的开端。
氢气是一种非常有前途的清洁燃料，可以燃烧或在燃料电池中直接转化为电能。然而，氢气价格昂贵且难以处理，因为它是一种超轻气体，需要压缩到700个大气压或低温冷却到绝对零度范围内才能达到液态。
众所周知，氨是一种比氢本身更好的氢载体，因为每个氮原子都与三个氢原子结合。虽然氨具有腐蚀性，在高浓度下非常危险，但它在常温常压下是一种稳定的液体，而且它在许多行业中得到广泛使用，这意味着人们有足够的经验在各种条件下安全地处理它。
氨非常适合携带氢气，但如果要使用氢气，则需要对其进行“裂解”，将氢气取出并将无害的氮气释放回大气中。但这很难实现，主要有两个原因：首先，该反应是吸热的，因此大多数氨裂解都是在温度至少为 650-1000°C 的大型设施中进行的。其次，裂解操作所需的热催化剂通常是铂族金属，例如钌 - 相对稀有且昂贵。
随着绿色氢运动成为向清洁能源转型的关键支柱，你可以理解为什么莱斯大学团队开发的方法——在室温下仅使用铜和铁催化这种裂解反应——如此令人兴奋。
上图：该团队的“天线反应器”光催化剂通过嵌入“反应器”催化剂中的小“天线”颗粒收集光，为其提供催化各种化学反应所需的能量。
这一切都归结于光催化。该团队已经致力于开发“天线反应器”等离子体光催化剂 30 多年。这些是催化剂纳米颗粒，上面点缀着微小的“天线”材料块，旨在提高催化剂吸收光线的能力。经过适当调整后，这些天线反应器粒子会吸收环境光（无论是阳光还是低能 LED 发出的光）的能量，并释放短暂的“热电子”，即使在环境温度下，这些电子也有足够的能量来启动有效的化学反应。
天线反应器光催化剂可设计用于各种反应。例如，来自同一研发团队的催化剂可将光能硫化氢转化为氢气，其基本原理基本相同。它使用二氧化硅作为“反应器”催化剂，使用微小的金颗粒作为“天线”来吸收光能。
氨分解光催化剂使用铁作为反应器，使用铜作为光收集天线——这两种金属都很便宜，储量丰富，与当今使用的典型铜钌热催化剂不同。在实验室测试中，“在光照下，铜铁表现出与铜钌相似的效率和反应性。”
上图：初始实验室测试中使用的小型激光供电电池（左）和更大的激光供电测试台。
最初的测试是在一个微型实验装置中，使用激光提供的光进行的。但这项研究的合著者、旨在将赖斯团队的研究成果商业化的资金雄厚的公司联合创始人娜奥米·哈拉斯 (Naomi Halas) 获得了这种特殊催化剂的许可，并建造了一个大约 500 倍大的试验台，使用高效 LED 照明代替激光。催化剂仍然保持了同样的效率。
“这是科学文献中第一份报告，表明使用 LED 光催化可以从氨中产生克级氢气，”Naomi Halas 说道。“这为在等离子体光催化中完全取代贵金属打开了大门。”
因此，这项技术最值得关注的是，铜铁光催化剂将使从氨中提取氢气变得更便宜、更容易。而且它不需要加热，因此还可以节省能源和减少排放。
也许最重要的是，这将带来一种小型、可靠、轻便、低温的氨裂解装置，而不是运行温度高达数百度的装置。该公司表示，其最初的 Rigel 光解反应器产品大小与一台小型洗衣机相当，每天可处理约一吨，具体取决于它运行的具体反应。它们可以堆叠在一起；如果需要更大的输出，您可以同时运行它们。
上图：Rigel 光催化反应器大小与洗衣机相当（右），但可以堆叠（左）。
也许你可以为一艘电动货船配备一排这样的装置，在需要时将易于储存的氨转化为易于使用的氢气。这本身就绝对具有革命性，从根本上扩大了清洁货运和客运的范围。
也许这一概念可以证明其足够小巧轻便，可用于航空领域，因为储存在氨中的氢的能量密度可以扩大目前不使用航空燃料无法达到的续航里程。也许它最终可以小到可以装进电动汽车，你可以在加油站用氨给汽车加满油。
这就是这种特殊的光催化剂，莱斯大学和该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真正应用于实际。
另一位合著者艾米丽·卡特补充道：“鉴于等离子体天线反应器光催化剂具有显著减少化学领域碳排放的潜力，值得进一步研究。这些结果是一个很大的激励因素。其他丰富金属的组合可能被用作各种化学反应的低成本催化剂。”
上图：早期的钯/铝催化剂。彩色电子谱图显示“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输到催化剂颗粒。”
“催化是化学工业的基础，”另一位合著者兼公司联合创始人 Peter 说道。“它是社会中能源最密集的部分之一。”
“我们在这项研究中表明，”哈拉斯补充道，“基于 LED 的化学反应实际上是可行的，并且可以大规模实现。它可以促进工业规模的化学反应和工业上重要的反应。”
该公司表示，已经开始该反应并正在进行现场试验，预计在 2023 年将这些光催化氨裂解反应器商业化。
这是一项非常令人兴奋的技术，在许多行业中具有巨大的潜力，并且可以帮助脱碳。
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