美国莱斯大学的研究人员开发了一种催化剂，它使用光而不是热来驱动蒸汽甲烷重整 (SMR) 中的反应，这是全球氢气生产的关键过程。这项创新可以使 SMR 完全无排放，解决与化学过程相关的大量温室气体排放。这项研究可能有助于延长催化剂寿命、提高效率并降低受焦化（一种使催化剂失活的碳积累形式）影响的各种工业过程的成本。
氢是一种功能强大、用途广泛且燃烧清洁的能源，在向可持续能源系统转型过程中可发挥关键作用。然而，目前生产全球一半以上氢气的化学过程仍然是温室气体排放的重要来源。
新开发的铜铑光催化剂采用天线反应器结构，当暴露于特定波长的光时，可将甲烷和水蒸气转化为氢气和一氧化碳——这是化学工业的主要原料。该过程无需额外加热，是一种更环保的替代方案。
“这是迄今为止我们最具影响力的发现之一，因为它为现代社会最重要的化学反应提供了一种更好的替代方案。我们开发了一种全新的、更可持续的 SMR 实现方法。
赖斯大学威斯主席兼教授 Peter Nordlander”
该研究的通讯作者是莱斯大学 Nordlander 和 Naomi Halas 教授以及电气和计算机工程教授 Stanley C. Moore。
新的 SMR 反应路径建立在赖斯大学 Halas 和 Nordlander 实验室 2011 年的一项发现之上。他们发现等离子体（暴露在光线下的金属纳米颗粒中电子的集体振荡）可以发射“热载流子”，即高能电子和空穴。这些热载流子可以用来驱动化学反应，为 SMR 的创新方法奠定了基础。
“我们进行等离子体光化学研究——等离子体是我们在这里的关键——因为等离子体是真正有效的光吸收剂，它们可以产生非常有能量的载体，可以比传统的热催化更有效地完成我们需要的化学反应。
袁义高，莱斯大学博士生、论文第一作者”
铜纳米粒子在新型催化系统中充当能量收集天线，而铑原子和团簇则被策略性地添加为反应器位点，因为铜纳米粒子的等离子体表面与甲烷结合不佳。
铑位点将甲烷和水分子结合到等离子体表面，并利用加热载体的能量为 SMR 过程提供动力。
“我们测试了许多催化系统，但事实证明这个系统的效果最好，”袁志军说道。
这项研究还展示了天线反应器技术如何利用热载体消除碳沉积物和氧物质，从而有效地利用光再生催化剂，克服氧化和焦化引起的催化失活。据诺德兰德称，“巧妙地放置铑”，不规则地、稀疏地分散在纳米颗粒的整个表面上，这是实现这一“显著效果”的关键。
目前，大多数氢气生产都发生在大型集中设施中，需要将氢气运输到最终目的地。相比之下，光驱动 SMR 可以实现按需制氢，为加氢站甚至汽车等移动应用提供了优势。
“这项研究展示了创新光化学重塑关键工业流程的潜力，使我们更接近环境可持续的能源未来。
娜奥米·哈拉斯（Naomi Halas），莱斯大学教授”
罗伯特·A·韦尔奇基金会和空军科学研究办公室资助了这项研究。赖斯大学的共享设备管理局提供了深刻的信息和数据分析方面的帮助。
期刊参考：Yuan, Y., et al. (2024) Steam methane reforming using a regenerable antenna–reactor plasmonic photocatalyst. Nature Catalysis. doi.org/10.1038/s41929-024-01248-8.
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