一种在低温下从氨中产生氢气的新催化剂

当前的全球气候紧急情况和我们迅速减少的能源资源促使人们寻找更清洁的替代品，如氢燃料。与化石燃料不同，在有氧气的情况下燃烧时，氢气会产生大量能量，但不会产生任何有害的温室气体。不幸的是，今天生产的大部分氢燃料来自天然气或化石燃料，这最终会增加其碳足迹。

氨(NH3)是一种碳中性氢化合物，由于其高能量密度和高储氢能力，最近引起了很多关注。可分解放出氮气和氢气。氨可以很容易地液化、储存和运输，并在需要时转化为氢燃料。然而，从氨生产氢气是一个需要非常高能量的缓慢反应。为了加快生产速度，通常使用金属催化剂，这也有助于降低制氢过程中的整体能耗。

最近的研究发现，镍 (Ni) 是一种很有前途的氨分解催化剂。氨吸附在镍催化剂的表面，随后氨中氮和氢之间的键断裂，它们作为单独的气体释放。然而，使用镍催化剂获得良好的氨转化率通常涉及非常高的操作温度。

在最近发表在ACS Catalysis 上的一项研究中，由 Masaaki Kitano 副教授领导的东京理工大学研究人员团队描述了一种解决镍基催化剂所面临问题的解决方案。他们开发了一种最先进的亚胺钙 (CaNH) 负载的镍催化剂，可以在较低的工作温度下实现良好的氨转化。Kitano 博士解释说：“我们的目标是开发一种高效节能的高活性催化剂。我们将金属酰亚胺添加到催化剂体系中不仅提高了其催化活性，还帮助我们解开了此类系统难以捉摸的工作机制。”

该团队发现，CaNH 的存在导致在催化剂表面形成 NH2-空位 (VNH)。这些活性物质使 Ni/CaNH 在比镍基催化剂发挥功能所需的温度低 100°C 的反应温度下提高了催化性能。研究人员还开发了计算模型并进行了同位素标记，以了解催化剂表面发生的情况。计算提出了一种 Mars-van Krevelen 机制，该机制涉及氨吸附到 CaNH 表面，在 NH2-空位处活化，形成氮气和氢气，最后由 Ni 纳米粒子促进空位再生。

高活性和耐用的 Ni/CaNH 催化剂可以成功地用于从氨生成氢气。此外，本研究提供的对催化机理的深入了解可用于开发新一代催化剂。“随着全世界共同努力建设可持续发展的未来，我们的研究旨在解决我们在实现更清洁氢燃料经济的道路上面临的问题，”北野博士总结道。

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