单位：河北大学、日本国家材料科学研究所、广东省科学院新材料研究所
【研究背景】
氨具有较高的储氢密度（17.8%），且生成的氢气不含含碳物质，与甲醇、甲酸等储氢物质相比，氨是构建零碳氢能体系的关键载体。氨裂解制氢是一个强吸热反应，消耗大量化石能源，不仅产生大量的二氧化碳排放，也限制了氨裂解制氢的大规模应用。太阳能诱导热氨裂解制氢有潜力解决其能耗问题，但大规模氨裂解制氢催化剂：Ni基材料的催化反应温度为600-850℃，这是太阳能诱导热催化无法达到的高温（一般为300-450℃）。因此，开发低工作温度环境下具有高催化活性的Ni基催化剂是太阳能诱导热氨裂解制氢的核心问题。
【文章简介】
近日，河北大学李亚光博士课题组与广东省科学院新材料研究所张志博博士、日本国立材料科学研究所叶金华教授合作，在国际知名期刊发表了题为《低碳、无太阳能利用原子》的文章。文章通过理论计算预测单个镍原子可以改变镍催化剂与NH3之间的结合方式，从而显著降低NH3裂解制氢的温度。文章还利用溶胶-凝胶法合成了Ni单原子/CeO2二维材料（SA Ni/CeO2），并将其与光热体系耦合，成功实现了高效的太阳能诱导热氨裂解制氢。
图1.单个镍原子辅助太阳能诱导氨热裂解制氢示意图。
【本文重点】
重点一：单个镍原子NH3分解机理
理论计算结果表明，Ni单原子比Ni粒子具有更强的NH3吸附能力，有利于NH3在Ni单原子位点发生反应。且Ni单原子位点氨裂解能垒为1.21 eV，而Ni粒子的氨裂解能垒为1.77 eV，说明在Ni单原子位点氨裂解产氢更容易进行。Bader电荷分析表明，Ni单原子和Ni粒子的电荷分别为+1.23和+0.03|e|，电负性的差异表明，裂解氮原子的Ni单原子和Ni粒子的配位方式（Ni-N）分别为离子键和共价键。因此，氮原子更容易从Ni单原子位点脱附，NH3在Ni单原子上比在Ni粒子上优先发生脱氢反应。
要点2：单个镍原子的合成与表征
为了证明Ni单原子具有优异的氨裂解制氢活性，我们通过溶胶-凝胶法在CeO2二维材料（SA Ni/CeO2）上制备了Ni单原子。该材料具有典型的二维形貌，球差校正扫描透射电子显微镜（HAADF-STEM）在晶格表面观察到尺寸为~0.1纳米的亮点，表明单原子的存在。进一步利用同步辐射证明SA Ni/CeO2中Ni元素的分布状态为单原子结构。且SA Ni/CeO2的比表面积为187 m2 g-1，可以暴露出大量的催化位点。
重点三：低温氨裂解镍原子制氢
已报道的镍基催化剂在600℃下催化裂解氨的最高H2产率约为4 mmol g-1 min-1。本文中，在300℃下，SA Ni/CeO2催化裂解NH3的产氢速率为3.544 mmol g-1 min-1，不仅超过了迄今为止报道的最好的非贵金属催化剂，也优于很多贵金属催化剂，而Ni颗粒的NH3裂解产氢率为零。此外，SA Ni/CeO2在NH3裂解产氢方面具有良好的稳定性，在300℃持续90小时的NH3催化裂解测试中，H2产量几乎恒定在3.5 mmol g-1 min-1。
观点四：单个镍原子有助于太阳诱导氨热裂解产生氢气
在此基础上，我们将SA Ni/CeO2与自制的TiC/Cu基光热系统耦合，在1标准太阳辐照下SA Ni/CeO2的温度可达310℃。SA Ni/CeO2催化剂在0.8标准太阳辐照下即可裂解氨产氢，1标准太阳辐照下氨裂解产氢速率达到1.58 mmol g-1 min -1，是已报道的自然光驱动NH3催化裂解产氢速率的100多倍，实现了全氨裂解制氢系统的零碳排放。
【文章链接】
低碳环保，无需使用太阳能
【通讯作者简介】
李亚光，河北大学研究员，河北省杰出青年基金获得者、坤宇青年学者。2015年于浙江大学材料学院获博士学位，后加入河北大学，现为光催化研究组组长。近年来主要从事光催化方面的研究，主持或参与了国家自然科学基金、河北省自然科学基金杰出青年/优秀青年基金项目、河北省教育厅青年顶尖项目等多项科研项目。以第一或通讯作者在Nat. .、Adv. Mater.、Nano、Adv.、Appl. Catal. B.、Green Chem.、Small、J. Mater. Chem. A.等学术期刊发表论文50余篇；获国家发明专利7项。
张志博，广东省科学院新材料研究所高级工程师，广东省科学院佛山市工业技术研究院副院长。2018年于德国凯泽斯劳滕工业大学获博士学位，期间曾为美国加州大学戴维斯分校访问学者，后加入广东省科学院新材料研究所，现为材料基因工程团队学术带头人。近年来主要从事界面/表面多尺度计算、大数据等研究，主持国家自然科学基金、国家科技部高端外国专家引进计划、广东省重点领域研发计划、广东省企业特使计划等多项科研项目，在Nat. .、Adv. Mater.、Appl. Surf. Sci.、Ceram. Int.等学术期刊发表论文30余篇； 并申请国家发明专利12项、软件著作权1项。
叶金华，日本国立材料科学研究所首席研究员、日本北海道大学教授、973项目首席科学家。近20年来，叶金华教授课题组主要从事光学功能材料的研发及其在环保、新能源等领域的应用研究，承担了日本政府、产业界、国家“973”项目、国家自然科学基金重点项目等十余项重大科研项目，取得了一批国际领先的创新性成果，在Nat. Catal.、Nat. Mater.、Joule、Nat. .、Angew. Chem. Int. Ed.、J. Am. Chem. Soc.、Adv.等国际知名期刊发表高质量论文550余篇。 论文发表在《 》上，目前已获得同行约56,000次引用，H因子118。2016年当选为英国皇家化学学会会士，2016、2018、2019、2020、2021年连续被汤森路透评选为全球高被引科学家，曾担任ACS Nano杂志副主编、美国化学会会士等。