氨（NH₃）可以被分解以生成氢气，而无需排放二氧化碳。它的高密度和便于运输的特点使其成为绿色能源部门的重要资产。然而，氨的一个主要限制是其分解反应所需的极高温度。最近，日本研究人员的合作努力提出了一种表面质子辅助技术，利用电场和Ru/CeO₂催化剂按需从氨中生产绿色氢气。
氢气由于其高能量密度以及不排放碳的特性，越来越受到关注，被视为可持续未来的清洁能源来源。尽管氢是宇宙中最丰富的元素，但它很少独立存在；通常存在于氨、金属氢化物和其他富含氢的物质中。
在可用的氢载体中，氨因其广泛可得性、高氢含量（其质量约为17.6%）以及易于液化和运输而特别有前景。然而，使用氨进行按需绿色氢生产的一个重大缺点是，需要非常高的温度（超过773K）才能有效分解。用于燃料电池和内燃机的高效氢生产要求在较低温度下对氨进行高转化率。
为了解决这一挑战，早稻田大学的教授关根康志以及他的团队成员大内幸乃、土井佐恵和Yanmar Holdings的御手洗健太，提出了一种可以在降低温度下运行的新型紧凑工艺。他们展示了一种实验装置，通过施加电场和利用高活性且易于获得的Ru/CeO2催化剂，在显著较低的温度下将氨转化为氢气。这项研究于2024年8月27日发表在《化学科学》上。
“这是我们早稻田大学实验室与氨利用领域的领先者Yanmar Holdings之间的合作项目。我们的目标是创造一种有效利用氨按需生产氢气的工艺，”关根解释道。他进一步补充说：“我们最初探索了传统的热催化系统，在这种系统中，通过N-H键的断裂形成N和H的吸附物，然后重新结合形成N2和H2气体。”
团队发现，在较低温度下，瓶颈是活性金属Ru上的氮脱附，而在较高温度下，则是N-H键的断裂。为了克服这些挑战，他们转向了电场辅助催化反应，这增强了催化剂表面的质子导电性，降低了反应所需的活化能，使得即使在较低温度下也能实现更高效的氨转化。
基于这些见解，研究人员创建了一种新的热催化系统，借助易于生产的Ru/CeO2催化剂和直流电场，促进氨在低温下分解为氢。 他们发现，创新的方法在473K以下的温度成功分解氨，在398K时实现了100%的完全转化率，超过了预期的平衡转化率。这一成功归功于电场增强表面质子效应的能力，即质子在催化剂表面的移动，最终降低了氨转化过程的表观活化能。
相反，如果没有电场，氮脱附过程显著减缓，抑制了氨分解反应的继续进行。研究团队通过各种实验和密度泛函理论计算进一步验证了表面质子效应在增强氨转化率方面的重要性。
这一创新策略表明，氨可以通过不可逆途径在低温下生产绿色氢气，几乎实现100%的转化率和高反应速度。“我们相信，我们提出的方法可以加速清洁替代燃料的广泛采用，使得CO2免费氢气的按需生产比以往任何时候都更加可及，”关根总结道。
