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隨著可再生能源和電動汽車的興起，氫動力汽車引起了越來越多的關注。香港理工大學（Hong Kong Polytechnic University）應用物理系助理教授李孟珺（Molly Mengjung Li）教授一直致力于研究氨作為氫載體，并于近期研發出一種高效、低成本的催化劑，有助推動氫燃料汽車的實際應用。
全球向可持續能源的過渡使氫動力汽車處于清潔交通解決方案的最前沿。隨著政府和行業努力使出行脫碳，氫燃料電池汽車因其高能效和零排放的特性而獲得越來越多的認可。然而，氫能源汽車的廣泛采用不僅取決于燃料電池技術的發展，還取決于氫本身的安全、高效、經濟的儲存和釋放。
李教授和她的研究小組正在研究使用氨作為氫燃料載體的可能性，并研究氫儲能的穩定性，以促進氫動力汽車的普及。他們的研究發表在《先進材料》雜志上，介紹了一種高效廉價的催化劑來促進氫生成反應。
氫（H2），當用于燃料電池時，與氧（O2）反應產生電能，只釋放出水（H2O）作為副產物。這種反應提供了一種令人信服的替代化石燃料燃燒的方法，具有環境和操作上的優勢。然而，長期以來，氫的低體積密度及其儲存和運輸方面的挑戰一直被認為是其實際部署的重大障礙。
在提出的各種策略中，氨（NH3）等化學載體已成為有希望的解決方案。NH3擁有完善的生產和分銷基礎設施，高氫密度和釋放氫而不產生碳氧化物的能力。因此，將NH3分解為N2和H2是燃料電池汽車車載制氫的關鍵反應。
盡管前景光明，但氨裂解技術的實際實施面臨著一個主要障礙——對釕（Ru）基催化劑的依賴。釕催化劑是低溫分解氨（NH3）的高效催化劑，但其稀缺性和高成本阻礙了其大規模應用。這激發了全球范圍內的研究努力，以尋找基于地球上豐富的非貴金屬的替代催化劑。
與其他過渡金屬相比，鈷（Co）具有良好的氮結合能和較低的催化劑中毒易感性，因此成為特別有吸引力的候選者。然而，傳統的鈷基催化劑通常需要高溫（約600°C）才能達到令人滿意的產氫率，這限制了它們在移動應用中的實用性，在移動應用中，能效和緊湊的反應器設計是最重要的考慮因素。
為了應對這些挑戰，最近的研究集中在創新催化劑設計策略上，以提高鈷基體系的低溫活性。其中一種方法是在催化劑-載體界面上設計晶格應變，這可以調節活性位點的電子結構，從而優化它們與反應物的相互作用。從應變工程在其他催化系統中的進展中獲得靈感，李教授的研究小組開發了一類新的core@shell催化劑，以Co@BaAl?O???異質結構為例。
通過對Co@BaAl?O???催化劑的性能測試，發現該催化劑在中等溫度下具有顯著的NH3分解活性。在高空速條件下，催化劑的產氫速率為64.6 mmol H? gcat-1 min-1，在475℃~ 575℃之間保持NH3幾乎完全轉化。這些結果與許多釕基催化劑相當，甚至超過了這些催化劑，但沒有相關的成本和供應限制。
先進的表征技術，包括同步X射線吸收光譜和電子顯微鏡，證實了一個明確的core@shell結構的形成和反應后界面上氮物種的存在，突出了異質結構在促進催化過程中的關鍵作用。
“為了進一步闡明core@shell設計的優點，我們與缺少封裝殼的常規負載型催化劑Co/BaAl?O???進行了對比研究。兩種催化劑都是用相似的鈷納米顆粒制備的，以確保公平的比較。結果是驚人的：雖然兩種體系都表現出隨著溫度的升高而增加的NH3轉化率，但core@shell Co@BaAl?O???催化劑表現出明顯較低的活性起始溫度（200°C與250°C），并且在500°C下實現近乎完全的轉化，而所支持的類似物的溫度更高。此外，core@shell結構在高流速下表現出優越的穩定性，而負載型催化劑的性能則急劇下降。”
Co@BaAl?O??? core@shell催化劑的開發代表了在尋求氫能源汽車氨裂解高效，無釕（Ru）催化劑方面的重大進步。通過利用晶格應變工程和強金屬支撐相互作用，該系統實現了以前只有貴金屬才能實現的低溫活性和穩定性。
從這項工作中獲得的機理見解不僅為清潔能源應用的下一代催化劑的設計提供了信息，而且強調了界面工程在多相催化中的變革潛力。隨著氫經濟的不斷發展，這些創新將在實現氫作為未來移動出行可持續燃料的全部潛力方面發揮關鍵作用。
香港理工大學鳥瞰
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