近日，萊斯大(dà)學的研究人員(yuán)爲氫經濟設計了一(yī)種光活化納米材料。僅使用廉價的原材料，研究人員(yuán)合成出一(yī)種可擴展的催化劑，隻需要光（LED）的力量就能将氨轉化爲清潔燃燒的氫燃料。這一(yī)發現爲可持續的、低成本的氫氣鋪平了道路，這種氫氣可以在當地生(shēng)産，而不是在大(dà)規模的集中(zhōng)式工(gōng)廠生(shēng)産。
這項研究于11月24日發表在《Science》雜(zá)志(zhì)上，由萊斯大(dà)學納米光子學實驗室、Syzygy Plasmonics公司和普林斯頓大(dà)學Andlinger能源與環境中(zhōng)心的團隊合作完成。
在該研究中(zhōng)，Halas、Nordlander、萊斯大(dà)學校友Hossein Robatjazi、普林斯頓大(dà)學工(gōng)程師和物(wù)理化學家Emily Carter等人表明，由銅和鐵制成的天線反應器顆粒在轉化氨方面非常有效。顆粒中(zhōng)的銅、能量收集片從可見光中(zhōng)捕捉能量。
具體(tǐ)地，萊斯大(dà)學Naomi J. Halas等人證明了等離(lí)子體(tǐ)光催化可以在光照下(xià)将熱惰性的、富含地球的過渡金屬轉化爲催化活性位點。在超快脈沖照明下(xià)，Cu-Fe複合體(tǐ)中(zhōng)的Fe活性位點實現了非常類似于Ru的氨光催化分(fēn)解效率。當用發光二極管照射時，即使反應規模增加了近三個數量級，光催化效率保持相當。這一(yī)結果證明了用儲量豐富的過渡金屬從氨載體(tǐ)高效生(shēng)産氫氣的潛力。
在這項研究中(zhōng)，團隊的研究内容包括以下(xià)三點：
1、對比了Cu-Fe-和Cu-Ru ARs氨分(fēn)解反應催化性
制備了Cu-Fe-和Cu-Ru ARs催化劑，證實了Cu-Fe-AR表現出與報道的最有效的Ru基熱催化劑相當的轉換頻(pín)率，并通過使用碳氫化合物(wù)注入模型表明，入射光子的量子效率更多地取決于MAO能級上HC的産生(shēng)。
2、探究了微觀反應機制
通過理論計算探究了Cu-Fe-AR上的微觀反應機制，表明限速反應步驟是N2在Cu-Fe-AR上的締合解吸。
3、驗證了光驅動NH3分(fēn)解
研究了可見光驅動的NH3分(fēn)解，證實了Cu-Fe-AR催化劑的高NH3轉化率、高H2産率以及穩定性。并通過在具有市售LED的克級光反應器，證明了從NH3産生(shēng)低溫綠色H2的潛在可擴展性。
通過研究，作者發現了使用發光二極管作爲光源在室溫下(xià)光催化驅動氨裂解的可行性，在定制的光反應器中(zhōng)将反應放(fàng)大(dà)了近三個數量級。在LED照明下(xià)，Cu-Fe-AR仍然表現出非常高的光催化活性，實現了高達72%的NH3轉化率。同時通過反應器優化，實現了在Cu-Fe-AR催化劑上高達18g/天的H2産率，将光子-氫氣轉換效率提升至15.6%。
“像鐵這樣的過渡金屬通常是熱催化劑，”研究報告的共同作者、萊斯大(dà)學的Naomi Halas表示：”這項工(gōng)作表明它們可以成爲高效的等離(lí)子體(tǐ)光催化劑。它還表明，光催化可以用廉價的LED光子源有效地進行。”
近年來，政府和産業衆多機構持續投資(zī)創建無碳液态氨燃料基礎設施和市場，因其不會造成溫室效應，而這項研究很好地呼應了該主題，與其具有協同作用。由于液氨易于運輸，而且蘊含大(dà)量的能量，因此是一(yī)種前途廣闊的未來清潔燃料。
“鑒于它們在大(dà)幅減少化工(gōng)行業碳排放(fàng)方面的潛力，該光催化劑值得進一(yī)步研究。”相關研究人員(yuán)補充說道。
來源：材料人
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