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林赫教授課題組在電驅(qū)動(dòng)低溫氨分解制氫方面取得重要進(jìn)展

發(fā)布時(shí)間：2025-02-06 閱讀：5587

近日，新能源動(dòng)力研究所黃震院士團(tuán)隊(duì)林赫教授課題組在氨分解制氫研究中取得重要進(jìn)展，在ACS Catalysis上發(fā)表關(guān)于電驅(qū)動(dòng)釕基催化劑催化氨分解制氫的研究論文“Electrically driven gaseous ammonia decomposition for hydrogen production over SiC-mediated catalyst without external heating”，博士研究生汪曉超為第一作者，林赫教授和張毅然副教授為通訊作者；在Applied Catalysis B: Environment and Energy上發(fā)表關(guān)于電驅(qū)動(dòng)鈷基催化劑催化氨分解制氫的研究論文“Electrically driven gaseous ammonia decomposition on Co-based SiC composite catalysts for low-temperature H₂ production”，博士研究生汪曉超為第一作者，林赫教授和趙旭騰博士后為通訊作者。

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電驅(qū)動(dòng)釕(Ru)基催化劑催化氨分解制氫

零碳?xì)浠茉矗?span style="font-family: 微軟雅黑, "Microsoft YaHei";">NH₃、H₂）在汽車(chē)、船舶、可再生電力儲(chǔ)存及工業(yè)應(yīng)用中展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用前景。然而，綠氫的存儲(chǔ)運(yùn)輸困難且成本高，氨具有較高的含氫量（17.8%）以及易于液化的優(yōu)勢(shì)，是一種理想的儲(chǔ)氫載體，利用氨分解制氫技術(shù)實(shí)現(xiàn)站內(nèi)（on-site）制氫，可解決氫氣運(yùn)輸和儲(chǔ)存難題。在交通運(yùn)輸領(lǐng)域，氨發(fā)動(dòng)機(jī)是實(shí)現(xiàn)燃料脫碳的重要技術(shù)路線，通過(guò)氨分解制氫實(shí)現(xiàn)氨氫融合燃燒，可解決單一氨燃料的點(diǎn)火和燃燒問(wèn)題，是氨發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)。綜上所述，氨分解制氫技術(shù)是零碳?xì)浠茉蠢玫年P(guān)鍵環(huán)節(jié)。

氨分解反應(yīng)（2NH₃(g)àN₂(g)+3H₂(g)）在300℃、1bar條件下，理論平衡轉(zhuǎn)化率可超過(guò)95%。但由于反應(yīng)存在較大的動(dòng)力學(xué)阻力，傳統(tǒng)的熱催化氨分解過(guò)程通常需要400℃以上的高溫才能實(shí)現(xiàn)80%以上的氨分解轉(zhuǎn)化率。因此，當(dāng)前迫切需要開(kāi)發(fā)溫和條件下高效、低能耗的氨分解制氫新技術(shù)。

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電驅(qū)動(dòng)釕(Ru)基催化劑催化氨分解制氫性能

研究團(tuán)隊(duì)提出了電場(chǎng)輔助催化技術(shù)，利用第三代半導(dǎo)體SiC的寬禁帶和高導(dǎo)熱性，設(shè)計(jì)合成了具有高電場(chǎng)傳輸能力的SiC復(fù)合催化劑，實(shí)現(xiàn)了純電力驅(qū)動(dòng)、無(wú)外熱源下的高效氨分解制氫。利用Ru基SiC復(fù)合催化劑在230℃實(shí)現(xiàn)了約85%的氨分解轉(zhuǎn)化效率，產(chǎn)氫率最高達(dá)0.578 mmol g_cat.^-1 s^-1，能耗僅為傳統(tǒng)熱催化的四分之一。利用系列表征，闡明了電驅(qū)動(dòng)氨分解的促進(jìn)機(jī)制，即電場(chǎng)下的載流子增強(qiáng)活化提高了金屬-氮（metal-N）的反鍵軌道電子密度，促進(jìn)了氮的解吸；質(zhì)子（H⁺）在電場(chǎng)中的躍遷削弱了低溫下的氫毒害。

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電驅(qū)動(dòng)鈷(Co)基催化劑催化氨分解制氫

研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)催化劑的設(shè)計(jì)優(yōu)化，利用非貴金屬Co基SiC復(fù)合催化劑上在200℃實(shí)現(xiàn)了約73%的氨分解轉(zhuǎn)化效率。通過(guò)系列表征，闡明了SiC在電場(chǎng)中的作用機(jī)制，即高導(dǎo)電SiC在電場(chǎng)中為催化劑提供了質(zhì)子（H⁺）和電子傳輸通路，增強(qiáng)了催化劑表面的質(zhì)子躍遷和電子給予能力，提升了反應(yīng)物分子（NHx）之間的碰撞頻率，提供了更多的反應(yīng)位點(diǎn)。

該電氣化策略打破了傳統(tǒng)氨分解過(guò)程的動(dòng)力學(xué)限制，僅通過(guò)直流電場(chǎng)輸入，無(wú)需外部熱源加熱，具有能耗低、響應(yīng)快、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)勢(shì)，滿(mǎn)足了用氨用氫設(shè)備低成本，便攜、快速的制氫需求，便于直接消納可再生能源電力，具有顯著的應(yīng)用前景。

該研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金等項(xiàng)目的資助。

論文鏈接：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acscatal.4c06371

https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2025.125075

供稿：新能源動(dòng)力研究所

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