科学家们开发了一种独特的催化剂，随着时间的推移增强其从氨中生产氢气的能力，并识别出了改善其效率的原子级变化。
来自诺丁汉大学化学学院的一个研究小组，与伯明翰大学和卡迪夫大学合作，创造了一种由微小的钌（Ru）簇组成的创新材料，这些钌纳米簇被置于石墨化碳上。这些钌纳米簇与氨分子相互作用，帮助将氨分解成氢和氮，这是生成绿色氢气的重要步骤。这项重要研究已发表在《化学科学》期刊上，该期刊是皇家化学学会的主要期刊。
氨气由于其高能量密度，作为一种零碳能源载体展现出巨大的潜力，能够在不久的将来支持可持续经济。开发快速和能效高的过程以根据需要将氨转化为氢（H₂）和氮（N₂）至关重要。虽然催化剂随着时间的推移失去效果是普遍现象，但催化剂的有效性随使用而提高则较为罕见。因此，了解影响催化剂活性变化的原子级过程对于创造未来的异相催化剂至关重要。
诺丁汉大学化学学院的副教授、研究团队的共同领导者耶苏姆·阿尔维斯·费尔南德斯博士解释道：“传统催化剂由纳米颗粒组成，其中大多数原子并不参与反应。我们的新方法涉及以单个原子为起点，组装成特定大小的簇。因此，我们可以在这些簇达到2-3纳米²的区域后停止其生长，确保大多数原子仍然位于表面，从而便于参与化学反应。在这项研究中，我们将这一技术应用于直接从支持碳的原子中生长钌纳米簇。”
该团队使用磁控溅射技术生产金属原子的流，以构建催化剂。这种方法不需要溶剂或额外试剂，允许创建一种干净且高效的催化剂。最大化催化剂的表面积可确保稀有元素如钌（Ru）的最有效利用。
诺丁汉大学化学学院的研究员陈逸凡博士表示：“我们惊讶地发现，钌纳米簇在碳上的活性实际上随时间提升，与催化剂在使用过程中通常出现的失活现象相反。这一迷人的发现无法通过传统分析技术进行解释，因此我们开发了微观方法，通过扫描透射电子显微镜计算每个纳米簇在不同反应阶段的原子数量。我们发现了一系列小而重要的原子级变化。”
研究人员发现，最初在碳表面无序排列的钌原子重新排列成稳定的截断纳米金字塔，具有阶梯状边缘。这些纳米金字塔在高温反应过程中保持稳定数小时，并不断演变以优化活性位点的数量，从而提高氨的氢气生成。这种行为解释了催化剂独特的自我增强特性。
诺丁汉大学化学学院的安德烈·克洛比斯托夫教授评论道：“这一发现为催化剂设计开启了一种新方法，突出了一个稳定和自我改善的氢气生产系统，氨作为绿色能源来源。我们相信这一突破将显著推进可持续能源技术，帮助实现零碳未来的转型。”
这一创新标志着在理解涉及氢气生产的异相催化的原子级机制方面的重大进展。它为创造高效、稳定的催化剂提供了机会，利用稀有金属并通过精心调节纳米尺度的催化剂结构实现可持续利用。
诺丁汉大学致力于促进绿色和可持续技术。最近，东米德兰地区启动了零碳集群，以加快绿色产业和先进制造创新的进展和部署。
这项研究得到了EPSRC项目资助“金属原子在表面和界面的可持续未来（MASI）”的支持，旨在开发用于转化三种重要分子的催化剂材料——二氧化碳、氢气和氨，能对经济和环境至关重要。MASI催化剂以原子高效的方式生产，以确保化学元素的可持续利用，而不会耗尽稀有资源，并有效地利用地球上丰富的元素，如碳和基础金属。
