早稻田大学理工学术院关根泰教授领导的研究团队成员大渊Yukino（硕士2年级）和土井咲英（硕士毕业生），以及洋马控股的御手洗健太研究员等人发现了一种通过氨分解制造清洁氢的新方法。研究人员在通过使用新型催化工艺从有望用作储存和输送氢气的载体之一的氨中提取氢时，成功地将既往需要400℃的高温反应降低至200℃以下，即在200℃左右的环境中实现了催化反应。同时研究人员还明确了这种新型催化工艺不同于既往的氨分解反应的原理。
图：电场氨分解反应（供图：早稻田大学）
氢作为实现脱碳社会的清洁能源之一，正被不断扩大利用，但其储存和运输仍是一大难题。因此，研究人员一直在探索能有效储存和输送氢的氢载体，其中氨作为一个选择受到关注。
氨是全球合成量最多的化合物之一，其氢含量率高达17.6wt%（重量百分比），且易于液化、便于运输，因此被视为可能性较大的氢载体候选物。
然而，将氨用作氢载体时，需要进行氨分解反应才能最终提取出氢。而这种反应在高温下才容易发生，既往需要400℃以上的高温才能100%分解氨，因此如果想更高效简便地获取氢，降低氨分解反应的温度便是关键。
此次，研究团队应用了在低温下促进氢提取反应的电场催化反应，并通过将电极从上到下直接接触到催化层，并施加电流来加速反应。采用的催化剂是在具有半导体性质的氧化铈（CeO₂）上，加入贵金属钌（Ru）或金属铁（(Fe）、镍（Ni）、钴（Co）等。
研究人员在施加电流的电场氨分解反应中，在以往几乎无法进行反应的125℃低温下实现了约100%的氨分解率。此外，研究还发现，不仅是使用昂贵的Ru时，在使用Fe或Ni等廉价金属作为催化剂时，也能在低温下大幅加速反应。
此外，在电场氨分解反应中，研究人员还发现了在100～200℃的温度范围内，温度越低反应速度越高这一与以往不同的特殊现象。根据此结果，研究人员推测出现了一种与温度越低越有利与吸附现象有关的新反应机制，并进行了一系列实验来分析该机制。
结果发现，从既往的氨分解机制中，在构成化学反应的基元反应中，进行速度最慢且决定整体反应速度的“律速阶段”，即催化剂表面上的氮的解吸作用得到增强。
在既往的反应机制中，氢（H）首先从氨（NH₃）中解吸，而氮（N）会残留在催化剂表面。之后氮之间相互结合生成氮分子（N₂），而在这一过程则需要较高的能量，这也是导致氨分解反应需要高温的主要原因。
然而，此次研究采用在催化剂上施加电流的方法，使得氢离子在催化剂表面富集，同时由氮和氢组成的NH的丰度也增加，由于NH之间比N之间更容易结合，因此会生成中间物质N₂H₂，然后氢从该中间物质中解吸，由此完成氨分解反应的反应机制。
研究人员还通过机器学习进行理论模拟进一步研究了这一机制。结果表明，在电场反应过程中，经由中间物质N₂H₂的机制更容易在Ru和CeO₂的边界处发生，这一机制被认为是促使电场氨分解反应在低温下进行的重要因素。
研究团队展望未来表示:“此次成功实现了低温高分解率的氨分解反应，将使通过工厂、发动机等排放的废热来获取氢气时，使用小型设备现场获取氢气成为可能，从而扩大氨作为氢载体的广泛应用”。
原文：《科学新闻》
翻译：JST客观日本编辑部
【论文信息】
期刊：Chemical Science
论文：Hydrogen production by NH3 decomposition at low temperature assisted by surface protonics
DOI：doi.org/10.1039/d4sc04790g
