注：文末有研究团队简介及本文研究思路分析。
氢气作为清洁能源和重要工业原料，是未来社会关键的基础工业产品之一。由于氢气的储存和运输困难，人们常采用氨作为氢气储存和运输的载体。氨分子中含有3个氢原子，氢气的理论储存效率高达17.6wt％。然而，从氨中提取氢气存在一些基本问题。传统的热催化分解取氢工艺条件苛刻，需要高温高压的反应环境，能耗高，成本高。而电催化、光催化等方法通常需要昂贵的贵金属催化剂，此外，这些催化剂由于电腐蚀等原因，催化效率低，稳定性差。虽然人们已经开发出各种方法来提高从氨中提取氢气的效率，但距离实际的工业应用还很远。因此，是否有可能超越催化化学，开发出一种在常态下简单高效地从氨中提取氢气的技术？
近日，杨国伟教授课题组提出了一种无需任何化学催化过程，利用激光技术直接裂解溶解在水中的氨分子产氢的新方法，即液相激光鼓泡（laser in，LBL）。利用该技术，可以在常温下实现氨的清洁高效分解产氢。该技术操作简便，无需任何催化剂或复杂的反应器，便可在常温下快速高效地从氨中提取氢气。利用LBL技术，研究人员在脉冲宽度为10ns、频率为10Hz的532nm Nd：YAG激光作用下，实现了高达33.7mmol/h的表观氢气产率。由于激光的“亮”时间就是激光实际作用于氨水的时间，因此在激光实际作用时间内，实际产氢量可达惊人的93.6mol/h。如此多的氢气是在激光焦点附近的区域产生的。在较小的作用空间内实现了较高的氢气产率，LBL技术表现出简单、高效的特点。
图1.实验装置和LBL过程示意图。
研究人员认为，脉冲激光在液相中营造的极端微环境是LBL技术高效的原因。脉冲激光作用于氨时，可以在焦点处产生瞬时高温的微环境，这种微环境非常有利于氨分解产氢。瞬时高温（>104K）和超快速降温（>1010 K/s）是这种微环境的典型特征。瞬时高温使氨分解产氢反应能够快速发生，不受热力学自由能垒的限制。快速降温确保反应远离平衡态，抑制了逆反应和氢气的再次消耗。研究人员还在实践中探索了该技术工业化应用的前景。在工业生产中，当单束激光的能量大于所需能量时，可以对激光进行分流，以提高氢气产量。至于激光的能量消耗，研究人员提出，LBL技术可以用太阳光直接泵浦的激光来提供能量，这样就不消耗包括电能在内的任何人工能源。即太阳能泵浦激光，再用激光分解氨气产生氢气，整个LBL过程只使用太阳能。这项研究提出了一种除催化化学之外，简单、高效、低成本的制氢新方法。
图2. 氢析出速率的测量和计算。
在正常条件下，LBL技术可以高效、清洁地从氨中提取氢气。该技术简单易行，不需要复杂昂贵的反应设备，只需提高激光频率、减少激光静默时间，就能大幅提高氢气产量。该研究一经发表，便受到广泛关注。C&EN报道称LBL技术是“一项开创性的工作”，并认为这项工作“相当了不起”[1]。
显然，该工作为超越催化化学的清洁能源激光制造打开了一扇大门。同时，该工作也为无催化剂化学清洁制备和绿色合成开辟了一条新道路。目前LAB技术已初步应用于清洁能源制造即清洁能源激光制造。例如高效高选择性激光直接驱动CO2还原CO（Joule 6, 2735-2744 (2022)），激光直接分解甲醇制超快氢气（6, 0132 (2023)），激光直接活化N2非催化合成HCN（ACS & 11, 7874-7881 (2023)）等。因此，清洁能源激光制造技术将发展成为一种简便、绿色、高效的超越催化化学的清洁能源制造技术。
该成果近期发表在J. Am. Chem. Soc.上。中山大学博士后闫波、副研究员李银武和博士生曹薇薇为该文章的共同第一作者，杨国伟教授为该文章的通讯作者，中山大学为唯一通讯单位。
原文（扫描或长按二维码识别后直达原文页面）：
并通过激光快速从水中
颜波、李银武、曹、曾、刘璞、柯、杨*
J. Am. Chem. Soc.，2024，146，4864–4871，DOI：10.1021/jacs。
参考：
1. 来自水
导师简介
杨国伟教授：中山大学材料科学与工程学院教授。从事亚稳态纳米材料的基础研究，发展了多种制备亚稳态纳米材料的新方法，制备了一系列具有新性能和潜在应用前景的新型亚稳态纳米材料。揭示了纳米尺度上材料生长、结构和相变的新规律，发展了纳米尺度上材料生长和相变及表面能的普适热力学理论，预言了一系列由表面能引起的奇异纳米尺度效应，为材料科学家有目的地探索新型纳米材料而不是传统的“蒸煮”制备方法提供了理论工具。
科研思路解析
问：这项研究的最初目的是什么？或者说这个想法是怎么产生的？
A：如上文所述，我们的研究方向是利用脉冲激光在液体环境中进行材料清洁制备和绿色合成。在此之前，我们通常将固体靶材置于液体环境中，研究在液体中激光烧蚀固体靶材时产生的纳米材料，即通过液体激光烧蚀（laser in，LAL）制备纳米材料。由于LAL过程产生的极端微环境，LAL方法可以用来制备常规条件下难以合成的纳米材料。在一次实验中，我们团队成员意外发现，将脉冲激光聚焦在液体中与液体相互作用可以产生大量的气体，我们把这个过程称为“液体激光鼓泡”（laser in，LBL）。LBL技术是一条与传统催化化学完全不同的技术路线，表现出许多物理和化学上的新奇现象。LBL技术清洁、高效、操作简便，无需催化剂的参与，即可在常规条件下实现化学品的合成。因此LBL技术在化学品的清洁转化合成、绿色合成方面有着天然的优势，同时也显示出传统催化化学所无法比拟的优越性。
问：研究过程中您遇到了哪些挑战？
答：这项研究中最大的挑战是如何控制激光参数以最大化氢气产量。在这个过程中，我们团队通过液相激光烧蚀制备纳米材料的经验发挥了至关重要的作用。激光在利用LBL技术从氨中生产氢气的过程中起着至关重要的作用。精心调整激光参数和液相环境可以实现最佳的氢气产量。
问：该项研究成果可能有哪些重要的应用？哪些领域的企业或科研机构可以从该成果中获益？
A：氢能的应用范围非常广泛，比如氢动力汽车。以氢动力汽车为例，汽车直接携带氢气时，需要高压氢气瓶。但氢气不易压缩，且爆炸极限浓度范围较广，因此直接携带氢气有一定的危险性，成本也较高。而使用氨作为氢气的载体，可以大大降低氢气的压缩要求，当需要氢气时，可以利用LBL技术及时、快速地从氨分子中提取氢气，满足需要。本工作中液态水仅提供反应环境，氨在水中溶解度高，因此无需压缩即可提供液相环境，利用LBL技术可以实现氢气的快速提取。当然，这项研究距离实际应用还有很长的路要走，但本工作提出了一种实用且易于实施的从氨中提取氢气的方法，为氨分解制氢领域提供了一条新的技术路线。