美國萊斯大學(xué)的科學(xué)家們發(fā)明了一種將氨轉(zhuǎn)化為氫的新方法
這項研究遵循政府和行業(yè)投資，為不會導(dǎo)致溫室效應(yīng)的無碳液氨燃料創(chuàng)建基礎(chǔ)設(shè)施和市場
氨氣仍然是相當(dāng)有害的氣體，但它的點火和快速燃燒是可以忽略不計的
中國石化新聞網(wǎng)訊 據(jù)油價網(wǎng)報道，美國萊斯大學(xué)(Rice University)的科學(xué)家們?nèi)涨鞍l(fā)明了一種光活化催化劑，可以只使用廉價的原材料就能有效地將氨氣轉(zhuǎn)化為清潔燃燒的氫氣。這個設(shè)計是一種光激活納米材料，可將氨氣轉(zhuǎn)化為清潔燃燒的氫氣。
這項工作是萊斯大學(xué)納米光子學(xué)實驗室、Syzygy等離子體子學(xué)公司和普林斯頓大學(xué)Andlinger能源與環(huán)境中心的一個合作項目。該研究報告已發(fā)表在《科學(xué)》雜志上。
在這項研究啟動之前，美國政府和行業(yè)投資建立了基礎(chǔ)設(shè)施和市場，以生產(chǎn)不會導(dǎo)致溫室效應(yīng)的無碳液態(tài)氨燃料。液態(tài)氨易于運輸，每個分子含有1個氮原子和3個氫原子，能量巨大。新的催化劑將這些分子分解成氫氣(一種清潔的燃料)和氮氣(地球大氣中最大的成分)。與傳統(tǒng)催化劑不同的是，它不需要熱量。相反，它從光中收集能量，無論是陽光還是節(jié)能的LED。
化學(xué)反應(yīng)的速度通常隨著溫度的升高而加快，一個多世紀(jì)以來，化學(xué)品生產(chǎn)商一直在利用這一點，在工業(yè)規(guī)模上加熱。燃燒化石燃料將大型反應(yīng)容器的溫度提高數(shù)百或數(shù)千度會產(chǎn)生巨大的碳足跡。化學(xué)品生產(chǎn)商每年還在熱催化劑上花費數(shù)十億美元，這種材料不發(fā)生反應(yīng)，但在強(qiáng)烈加熱下會加速反應(yīng)。
這項研究的合著者、萊斯大學(xué)的內(nèi)奧米·哈拉斯指出：“像鐵這樣的過渡金屬通常是較差的熱催化劑，這項工作表明它們可以成為高效的等離子體光催化劑。這也證明了光催化可以用廉價的LED光子源有效地進(jìn)行。”
萊斯大學(xué)研究報告的合著者彼得·諾德蘭德補(bǔ)充說：“這一發(fā)現(xiàn)為可持續(xù)的、低成本的氫氣鋪平了道路，這種氫氣可以在當(dāng)?shù)厣a(chǎn)，而不是在大型集中式工廠生產(chǎn)。”
最好的熱催化劑是由鉑和相關(guān)貴金屬如鈀、銠和釕制成的。 哈拉斯和諾德蘭德花了數(shù)年時間開發(fā)光激活或等離子體金屬納米顆粒。 其中最好的也通常是由銀和金等貴金屬制成的。
2011年，他們發(fā)現(xiàn)了等離子體粒子，這種粒子會釋放出短命的高能電子，稱為“熱載流子”。2016年，他們發(fā)現(xiàn)熱載流子發(fā)電機(jī)可以與催化粒子結(jié)合，產(chǎn)生混合“天線反應(yīng)器”，其中一部分從光中收集能量，另一部分利用能量以外科手術(shù)般的精度驅(qū)動化學(xué)反應(yīng)。
哈拉斯、諾德蘭德、他們的學(xué)生和合作者多年來一直致力于為天線反應(yīng)器的能量收集部分和反應(yīng)加速部分尋找非貴金屬替代品。這項新研究是這項工作的高潮。在這篇文章中，哈拉斯、諾德倫德、萊斯大學(xué)校友侯賽因· 羅巴塔茲、普林斯頓大學(xué)工程師兼物理化學(xué)家艾米麗·卡特等人展示了由銅和鐵制成的天線反應(yīng)器粒子在轉(zhuǎn)化氨氣方面非常高效。粒子的銅能量收集部分從可見光中獲取能量。
Robatjazi是哈拉斯研究小組的博士校友，現(xiàn)在是總部位于休斯敦的光催化劑研發(fā)公司Syzygy Plasmonics的首席科學(xué)家，他解釋說，在沒有光的情況下，銅-鐵催化劑表現(xiàn)出比銅-釕催化劑低300倍的反應(yīng)活性，這并不奇怪，因為釕是一種反應(yīng)更好的熱催化劑。在光照下，銅-鐵的效率和反應(yīng)活性與銅-釕的效率和反應(yīng)活性相似并具有可比性。
Syzygy Plasmonics公司已經(jīng)獲得了萊斯大學(xué)的天線反應(yīng)器技術(shù)的許可，該研究還包括在該公司的商用LED動力反應(yīng)器中對催化劑進(jìn)行大規(guī)模測試。在萊斯大學(xué)的實驗室測試中，用激光照亮了銅鐵催化劑。Syzygy Plasmonics公司的測試表明，催化劑在LED照明和比實驗室設(shè)置大500倍的規(guī)模下仍然保持其效率。
哈拉斯說：“這是科學(xué)文獻(xiàn)中第一份表明LED光催化可以從氨氣中產(chǎn)生克級數(shù)量的氫氣的報告。”“這為完全取代等離子體光催化中的貴金屬打開了大門。”
卡特補(bǔ)充說：“鑒于等離子體天線反應(yīng)器光催化劑在顯著減少化學(xué)部門碳排放方面的潛力，它們值得進(jìn)一步研究。”“這些結(jié)果是一個很好的激勵因素。他們認(rèn)為，充足的金屬的其他組合很可能被用作廣泛化學(xué)反應(yīng)的低成本催化劑。”
有人可能會認(rèn)為，氫氣運輸和儲存解決方案的大門很快就會打開。對于大多數(shù)人來說，氫氣作為運輸燃料，便攜性和安全性更高。
氨氣仍然是相當(dāng)有害的氣體，但它的點火和快速燃燒可以忽略不計。氨氣也是氫氣的非加壓載體。氨氣確實有一種非常強(qiáng)烈的氣味。總而言之，作為一種實用的氫氣載體，它是相當(dāng)不錯的。
還有一些問題，比如需要多少光能來驅(qū)動一輛汽車。擴(kuò)大測試正在進(jìn)行中。然后，人們會想知道如何消除氮氣，以及以某種方式將氮氣或雙氮分子排放回大氣中是否會造成能源成本。
文章來源：油價網(wǎng)
