Science | 廉价的铜-铁催化剂利用光能将氨转化为氢燃料

氢气是一种广为人知的清洁燃料，然而作为超轻质气体，让氢气液化需要700个大气压，或者在接近绝对零度的状态下低温冷却，这使得氢气难以运输和处理，氢能源也随之价格昂贵。

氨气（NH₃）或许是一种比氢气本身更好的氢载体：它的每一个氮原子都结合三个氢原子，能够存储大量能量；液氨虽然在高浓度下具有腐蚀性，但它在大气温度和压力下是一种稳定的液体，易于运输，在许多行业都有广泛使用。

然而，想要从氨中获取氢，并将无害的氮释放回大气中，也并不容易。首先，氨裂解反应是吸热的，大多数情况下需要在650-1000°C的温度下的大型设施中进行，产生大量碳排放；其次，裂解操作所需的热催化剂通常是铂族金属，如钌，往往稀有且昂贵。

近日，莱斯大学团队仅使用廉价、高丰度的铜、铁材料，开发了一种优良的光催化剂，只需要光照的能量就可以在室温下将氨转化为清洁的氢燃料，与昂贵的热催化剂同样有效。该研究发表在《科学》杂志上，共同第一作者为两位中国科学家。

论文截图 | 参考文献[1]

当热驱动时，铁这类金属对于氨裂解的反应性远低于钌，因为Fe-N键非常强，以至于产物吸附后不易解吸。而这项工作表明，只需廉价的LED光源，它们就可以成为高效的等离子体光催化剂，有效地进行光催化。

“这一发现为可持续的、低成本的产氢铺平了道路，只需要LED光源和小型设备，无需在大规模的集中式工厂中生产。”通讯作者之一的Peter Nordlander说。

对于同一种金属材料，吸收光的能力和催化能力往往不可得兼。继2011年发现可释放短寿命、高能电子（称为“热载流子”）的等离子体粒子之后，该团队在2016年发现，热载流子发生器可以与金属纳米粒子催化剂结合，产生混合“天线反应堆”：将金、银、铝等金属作为“光子天线”，从光中获取能量，增加催化剂吸收光的能力；而钯、铂、铑等金属纳米粒子则作为催化剂，精确驱动化学反应。

（左）等离子体天线通过局部近场增强与催化反应器金属纳米粒子耦合（右）莱斯大学的“天线反应堆”等离子体催化剂：将光捕获纳米材料与高效金属催化剂相结合。此图中，反应性钯的“岛”点缀在铝晶体的氧化铝表面，铝晶体被用作光子天线来捕获光并激活催化岛 | 参考文献[1]

经过适当调整，这些“天线反应堆”粒子就能从环境光（无论是阳光还是低能耗LED的光）中吸收能量，即使在环境温度下也能进行有效的化学反应。该团队多年来一直致力于为天线反应堆的光能收集和反应加速部分寻找非贵金属作为替代品，这项新研究即为这一系列工作的结晶。

由铜和铁制成的“天线反应堆”颗粒在催化氨裂解方面非常高效。“在没有光的情况下，铜-铁催化剂的反应活性比铜-钌催化剂低约300倍，这并不奇怪，因为钌是该反应的更好的热催化剂。”共同通讯作者Robatjazi 说，“而在光照条件下，铜-铁显示出与铜-钌相似且相当的效率和反应性。”

“这是科学文献中首次报道LED光催化可以从氨中产生克级量的氢气。” 另一位通讯作者Halas说，“这打开了一扇大门，此后能使用高丰度低价格金属完全取代等离子体光催化中的贵金属。”

“鉴于它们在显著减少化工产业碳排放方面的潜力，等离子体天线反应堆光催化剂值得进一步研究。”共同通讯作者Carter补充道，“非贵金属的其他组合很可能在许多其他化学反应中成为具有成本效益的催化剂。”

Syzygy Plasmonics 的反应池（左）和光催化平台（右），用于铜-铁等离子体光催化剂的氨制氢测试。催化作用的所有反应能量都来自光波长为 470 nm的LED | 参考文献[2]

[1] Yuan, Yigao, et al. "Earth-abundant photocatalyst for H2 generation from NH3 with light-emitting diode illumination." Science 378.6622 (2022): 889-893.

[2] https://news.rice.edu/news/2022/rice-labs-catalyst-could-be-key-hydrogen-economy

[3] https://newatlas.com/energy/light-catalyst-ammonia-rice/

[4] https://news2.rice.edu/2016/07/18/rices-antenna-reactor-catalysts-offer-best-of-both-worlds/

[5] Swearer, Dayne F., et al. "Heterometallic antenna− reactor complexes for photocatalysis." Proc. Natl. Acad. Sci. 113.32 (2016): 8916-8920.

编译：竹子

编辑：靳小明

排版：尹宁流

题图来源：参考文献[2]

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