研究人员揭示了一种开创性的光催化剂，可以使蒸汽甲烷重整完全无排放，同时延长催化剂的使用寿命。
作为一种清洁高效的能源来源，氢气有潜力成为向可持续能源系统转型的重要参与者。然而，当前产生全球一半以上氢气供应的方法显著贡献了温室气体排放。
来自莱斯大学的研究人员创建了一种催化剂，使蒸汽甲烷重整（SMR）能够在无需外部加热的情况下利用光来促进反应，从而实现无排放。此外，这项研究可能在延长各种工业过程中的催化剂使用寿命、提高效率和降低成本方面具有重要意义，尤其是在受到积碳影响的区域，积碳是可能影响催化剂功能的碳堆积。
这一创新的铜-铑光催化剂采用了一种称为天线反应器的设计。当照射特定波长的光时，它能够将甲烷和水蒸气分解成氢气和一氧化碳而无需外部加热。一氧化碳在化学工业中作为重要的原料，并且不贡献温室气体排放。
莱斯大学的彼得·诺德兰德教授评论道：“这一发现是我们迄今为止最重要的成就之一，因为它为现代社会中可能是最关键的化学过程提供了更好的选择。”诺德兰德是莱斯大学韦斯讲席教授，同时也是物理与天文学、电气与计算机工程以及材料科学的教授。“我们建立了一种全新而更可持续的SMR方法。”
莱斯大学的教授、斯坦利·C·摩尔电气与计算机工程教授娜奥米·哈拉斯与诺德兰德共同担任这一研究的主要作者，该研究已发表在《自然催化》上。
这一新型SMR方法基于哈拉斯和诺德兰德团队在2011年的发现，即等离子体——金属纳米颗粒在暴露于光时发出的电子的集体振荡——能够产生推动化学反应所需的“热载流子”或高能电子和空穴。
莱斯大学博士生、研究的首席作者袁宜高解释道：“我们专注于等离子体光化学——等离子体是我们工作的核心——因为它们是高效的光吸收体，能够产生比传统热催化更有效的所需化学反应。”
新催化剂系统利用铜纳米颗粒捕获能量。然而，由于这些铜纳米颗粒与甲烷结合不良，因此战略性地在反应位点上放置铑原子。铑帮助将水和甲烷分子结合到等离子体表面，利用热载流子的能量推动SMR过程。
袁表示：“经过测试许多催化剂系统，这一系统被证明是最有效的。”
研究结果还表明，这种天线反应器技术可以通过利用热载流子去除氧和碳残留，从而减缓由于氧化和积碳引起的催化剂失活，从而在光照下再生催化剂。诺德兰德强调，这一“显著效果的关键在于铑的不规则分布”，“它被稀疏地涂抹在纳米颗粒的表面。”
目前，氢气主要在大型集中式工厂生产，需将其运输到需求地点。相对而言，这种光驱动的SMR技术使氢气可随时生成，尤其有利于与移动性相关的应用，例如氢气加注站甚至车辆。
哈拉斯表示：“这项研究突显出创新光化学转换基本工业过程的潜力，使我们更接近可持续能源的未来。”
该研究得到了罗伯特·A·威尔奇基金会（C-1220，C-1222）和美国空军科学研究办公室（FA9550-15-1-0022）的支持。此外，莱斯大学的共享设备管理局为数据分析提供了宝贵的见解和帮助。
