光活化納米材料將成為清潔能源關鍵

萊斯大學的研究人員已經為氫經濟設計了一種關鍵的光活化納米材料。僅使用廉價的原材料，科學家們創造了一種可擴展的催化劑，只需要光的力量就能將氨轉化為清潔燃燒的氫燃料。這一發現為可持續的、低成本的氫氣鋪平了道路，這種氫氣可以在當地生產，而不是在大規模的集中式工廠生產。

這項研究于11月24日發表在《科學》雜志上，由萊斯大學納米光子學實驗室、Syzygy Plasmonics公司和普林斯頓大學Andlinger能源與環境中心的一個團隊進行。

最近政府和工業界為創建無碳液態氨燃料的基礎設施和市場而進行持續投資，它不會造成溫室效應，這與這項研究有很好的協同作用。由于液氨易于運輸，而且蘊含大量的能量，每個分子中有一個氮原子和三個氫原子，因此液氨是一種有希望的未來清潔燃料。

新的催化劑將這些氨分子（NH3）分解成氫氣（H2），一種清潔燃燒的燃料，和氮氣（N2），地球大氣中最大的組成部分。而且與傳統的催化劑不同，它不需要加熱。相反，它從光中獲取能量，無論是太陽光還是節能的LED。

化學反應的速度通常會隨著溫度的升高而增加，一個多世紀以來，化學品生產商已經通過在工業規模上應用熱量來利用這一優勢。燃燒化石燃料，將大型反應容器的溫度提高數百或數千度，造成了巨大的碳足跡。化工生產商每年還在熱催化劑上花費數十億美元--這些材料不會發生反應，但在強烈的加熱下會進一步加速反應。

"像鐵這樣的過渡金屬通常是可憐的熱催化劑，"研究報告的共同作者、萊斯大學的Naomi Halas說。"這項工作表明它們可以成為高效的等離子體光催化劑。它還表明，光催化可以用廉價的LED光子源有效地進行。"

用于測試銅鐵等離子體光催化劑的光催化平臺，用于從氨氣中生產氫氣。資料來源：布蘭登-馬丁/萊斯大學的照片

最好的熱催化劑是由鉑和相關貴金屬如鈀、銠和釕制成的。Halas和Nordlander花了數年時間開發光激活的，或稱質子的金屬納米粒子。其中最好的通常也是用銀和金等貴金屬制成。

繼他們在2011年發現了能放出被稱為"熱載流子"的短壽命高能電子的質子粒子之后，他們在2016年發現，熱載流子發生器可以與催化粒子聯姻，產生混合的"天線-反應器"，其中一部分從光中獲取能量，另一部分則用能量來驅動具有超高精度的化學反應。

Halas、Nordlander、他們的學生和合作者多年來一直致力于為天線反應器的能量收集和反應加速兩部分尋找非貴金屬替代品。這項新的研究是這項工作的一個高潮。在該研究中，Halas、Nordlander、萊斯大學校友Hossein Robatjazi、普林斯頓大學工程師和物理化學家Emily Carter等人表明，由銅和鐵制成的天線反應器顆粒在轉化氨方面非常有效。顆粒中的銅、能量收集片從可見光中捕捉能量。

休斯敦Syzygy Plasmonics公司的銅鐵質子光催化劑測試中使用的反應池（左）和光催化平臺（右），用于從氨生產氫氣。催化作用的所有反應能量都來自LED，其產生的光的波長為470納米。

Halas研究小組的博士校友Robatjazi說："在沒有光的情況下，銅-鐵催化劑表現出比銅-釕催化劑低約300倍的反應性，鑒于釕是這種反應的更好的熱催化劑，這并不奇怪。在充足照明下，銅-鐵顯示出與銅-釕相似的效率和反應能力，并與之相媲美。"

Syzygy公司已經許可了萊斯大學的天線反應器技術，這項研究包括在該公司的商用LED驅動的反應器中對催化劑進行放大測試。在萊斯大學的實驗室測試中，銅-鐵催化劑被激光照射。Syzygy公司的測試表明，在LED照明下，催化劑保持了其效率，而且規模比實驗室設置大500倍。

這表明用LED的光催化作用可以從氨氣中產生克級數量的氫氣。為在等離子體光催化中完全取代貴金屬打開了大門。

"鑒于它們在大幅減少化工行業碳排放方面的潛力，質子天線-反應器光催化劑值得進一步研究，"卡特補充說。"這些結果是一個很大的推動力。他們表明，其他豐富的金屬組合有可能被用作廣泛的化學反應的成本效益催化劑"。