С ростом возобновляемых источников энергии и электромобилей водородные транспортные средства привлекают все больше внимания. Профессор Ли Мэнцзин, доцент кафедры прикладной физики Политехнического университета Гонконг, посвятил себя изучению аммиака в качестве носителя водорода и недавно разработал высокоэффективный и недорогой катализатор, который поможет продвинуть практическое применение водородных автомобилей.

Глобальный переход к устойчивой энергетике вывел водородные транспортные средства на передний план экологически чистых транспортных решений. По мере того, как правительства и различные отрасли стремятся декарбонизировать мобильность, автомобили на водородных топливных элементах становятся все более предпочтительными благодаря их преимуществам высокой энергоэффективности и нулевым выбросам. Однако широкое применение водородных транспортных средств зависит не только от развития технологии топливных элементов, но и от безопасного, эффективного и экономичного хранения и выброса самого водорода.

Профессор Ли и его исследовательская группа изучают возможность использования аммиака в качестве носителя водородного топлива и изучают стабильность хранения водородной энергии для содействия популяризации водородных транспортных средств. Результаты их исследований, опубликованные в журнале Advanced Materials, представляют высокоэффективный и недорогой катализатор для стимулирования реакции генерации водородной энергии.

При использовании водорода (Н2) в топливных элементах он вступает в реакцию с кислородом (О2) для получения электрической энергии и в качестве побочного продукта производит только воду (Н2О). Реакция предлагает привлекательную альтернативу сжиганию ископаемого топлива, которая обещает принести экологические и эксплуатационные преимущества. Однако низкая объемная плотность водорода и проблемы хранения и транспортировки долгое время считаются серьезными препятствиями для его практического применения.

Среди различных предложенных стратегий перспективным решением стали химические носители, такие как аммиак (NH 3). NH 3 имеет хорошо развитую производственную и транспортную инфраструктуру, высокую плотность водорода и способность выделять водород без образования оксидов углерода. Таким образом, разложение NH 3 на N 2 и H 2 является ключевой реакцией для производства водорода на борту транспортных средств на топливных элементах.

Несмотря на многообещающие перспективы технологии крекинга аммиака, ее практическое применение сталкивается с серьезным препятствием-зависимостью от катализаторов на основе рутения (Ru). Рутениевые катализаторы очень эффективны для низкотемпературного разложения аммиака, но их дефицит и высокая стоимость препятствуют их широкомасштабному применению. Это побудило глобальные исследования по поиску альтернативных катализаторов на основе недрагоценных металлов, богатых на Земле.

Кобальт (Co) стал привлекательным кандидатом благодаря своей хорошей энергии связывания азота и более низкой чувствительности к отравлению катализатором по сравнению с другими переходными металлами. Однако традиционные катализаторы на основе кобальта обычно требуют высоких температур (> 600°C) для достижения удовлетворительного выхода водорода, что ограничивает их применение в мобильных приложениях, которые имеют решающее значение для энергоэффективности и компактной конструкции реакторов.

Для решения этих проблем недавние исследования были сосредоточены на инновационных стратегиях проектирования катализаторов для повышения низкотемпературной активности систем на основе кобальта. Один из таких методов заключается в проектировании деформации решетки на границе раздела катализатор-носитель, которая регулирует электронную структуру активного участка и тем самым оптимизирует его взаимодействие с реагентами. Исследовательская группа профессора Ли, опираясь на прогресс в области деформационной инженерии других каталитических систем, разработала новый класс катализаторов с ядром и оболочкой, на примере которого взялась гетероструктура Co@BaAl₂O₄₋.

Экспериментальные испытания катализатора Co@BaAl₂O₄₋ показали, что катализатор обладает значительной активностью разложения NH3 при умеренных температурах. В условиях высокой космической скорости катализатор достигает скорости выработки водорода 64,6 ммоль H₂gcat-1 мин-1 и поддерживает почти полное преобразование NH3 между 475 °C и 575 °C. Эти результаты сопоставимы с многими катализаторами на основе Ru или даже превосходят их, но связанные с этим ограничения стоимости и поставок не существуют.

Передовые методы характеристики, включая синхротронную рентгеновскую абсорбционную спектроскопию и электронную микроскопию, подтвердили образование четко определенной структуры ядра @ оболочки и наличие азотных веществ на границе раздела после реакции, подчеркивая ключевую роль гетероструктур в облегчении каталитического процесса.

Для дальнейшего прояснения преимуществ конструкции структуры ядра и оболочки мы провели сравнительное исследование с традиционным нанесенным катализатором Co/BaAl₂O₄₋ (который не имеет оболочки). Чтобы обеспечить справедливое сравнение, оба катализатора были приготовлены с использованием наночастиц кобальта аналогичного размера. Результаты были впечатляющими: хотя конверсия NH3 в обеих системах увеличивается с температурой, температура начала активности катализатора со структурой ядро-оболочка Co@BaAl₂O₄₋ មានការ значительно ниже (200°C против 250°C) и достигает почти полного превращения при 500°C, в то время как температура начала катализатора на носителе еще выше. Кроме того, структура ядро-оболочка демонстрирует превосходную стабильность при высоких скоростях потока, в то время как производительность нанесенных катализаторов резко снижается.

Разработка катализатора с ядром и оболочкой Co@BaAl₂O₄ представляет собой значительный прогресс в области исследований и разработок высокоэффективных и безрутениевых катализаторов для крекинга аммиака в водородных автомобилях. Используя решеточную деформационную инженерию и сильное взаимодействие металл-носитель, система достигает низкотемпературной активности и стабильности, которые ранее были достигнуты только драгоценными металлами.

Механические понимания, полученные в результате этого исследования, не только служат руководством для проектирования следующего поколения катализаторов чистой энергии, но и подчеркивают трансформационный потенциал интерфейсной инженерии в области гетерогенного катализа. Поскольку водородная экономика продолжает развиваться, такие инновации имеют решающее значение для полной реализации потенциала водорода как устойчивого топлива для будущего транспорта.