萊斯大學發現利用“熱載流子”可以實現按需、零排放的氫氣生產與催化劑再生

作為一種清潔燃燒、強qiang效xiao且qie用yong途tu廣guang泛fan的de能neng源yuan商shang品pin，氫qing在zai向xiang可ke持chi續xu能neng源yuan生sheng態tai係xi統tong過guo渡du中zhong可ke能neng發fa揮hui關guan鍵jian作zuo用yong。然ran而er，占zhan當dang前qian全quan球qiu氫qing氣qi產chan量liang一yi半ban以yi上shang的de化hua學xue過guo程cheng也ye是shi溫wen室shi氣qi體ti排pai放fang的de重zhong要yao來lai源yuan。

萊斯大學的研究人員開發了一種催化劑，通過使用光而不是熱來驅動反應，從而使蒸汽甲烷重整（SMR）過(guo)程(cheng)實(shi)現(xian)完(wan)全(quan)無(wu)排(pai)放(fang)。此(ci)外(wai)，這(zhe)項(xiang)研(yan)究(jiu)可(ke)能(neng)有(you)助(zhu)於(yu)延(yan)長(chang)催(cui)化(hua)劑(ji)的(de)使(shi)用(yong)壽(shou)命(ming)，提(ti)高(gao)效(xiao)率(lv)

，並(bing)降(jiang)低(di)許(xu)多(duo)受(shou)焦(jiao)化(hua)影(ying)響(xiang)的(de)工(gong)業(ye)過(guo)程(cheng)的(de)成(cheng)本(ben)。焦(jiao)化(hua)是(shi)一(yi)種(zhong)碳(tan)積(ji)累(lei)形(xing)式(shi)
，可(ke)能(neng)導(dao)致(zhi)催(cui)化(hua)劑(ji)失(shi)活(huo)。

這種新型銅-銠光催化劑采用了天線-反應器設計，在特定波長的光照下
，無需外部加熱即可將甲烷和水蒸氣分解為氫氣和一氧化碳——一種有價值的化工原料，並且不會產生溫室氣體。

“這是我們迄今為止最有影響力的發現之一

，因為它為可以說是現代社會最重要的化學反應提供了一種改進的替代方案，”萊斯大學 Wiess 講座教授、物理與天文學教授、電氣和計算機工程以及材料科學與納米工程教授 Peter Nordlander 說道。“我們開發了一種全新的、更可持續的 SMR 方法。”

Nordlander 和 Naomi Halas 教授（萊斯大學 Stanley C. Moore 電氣和計算機工程教授）是這項發表在《自然催化》上的研究的通訊作者。

這種新的 SMR 反應路徑利用了萊斯大學 Halas 和 Nordlander 實驗室在 2011 年的發現，即當金屬納米顆粒暴露在光下時
，等離激元（電子的集體振蕩）可以產生“熱載流子”或高能電子和空穴，這些可以用於驅動化學反應。

“我們研究等離激元光化學——等離激元是我們在此研究中的關鍵——因為等離激元是非常高效的光吸收體
，它們能夠產生非常高能量的載流子，能比傳統的熱催化更高效地完成我們所需的化學反應，”該研究的第一作者、萊斯大學博士生袁一高說道。

新(xin)的(de)催(cui)化(hua)劑(ji)係(xi)統(tong)使(shi)用(yong)銅(tong)納(na)米(mi)顆(ke)粒(li)作(zuo)為(wei)能(neng)量(liang)收(shou)集(ji)天(tian)線(xian)。然(ran)而(er)，由(you)於(yu)銅(tong)納(na)米(mi)顆(ke)粒(li)的(de)等(deng)離(li)激(ji)元(yuan)表(biao)麵(mian)與(yu)甲(jia)烷(wan)的(de)結(jie)合(he)性(xing)不(bu)佳(jia)
，因(yin)此(ci)在(zai)反(fan)應(ying)位(wei)點(dian)上(shang)加(jia)入(ru)了(le)銠(lao)原(yuan)子(zi)和(he)團(tuan)簇(cu)。銠(lao)斑(ban)點(dian)將(jiang)水(shui)和(he)甲(jia)烷(wan)分(fen)子(zi)結(jie)合(he)到(dao)等(deng)離(li)激(ji)元(yuan)表(biao)麵(mian)
，利(li)用(yong)熱(re)載(zai)流(liu)子(zi)的(de)能(neng)量(liang)來(lai)驅(qu)動(dong) SMR 反應。

“我們測試了許多催化劑係統，但事實證明這個效果最好
，”袁說道。

研究還表明，天線-反應器技術可以通過利用熱載流子去除氧物種和碳沉積，從而克服催化劑因氧化和焦化導致的失活，進而實現催化劑的光再生。Nordlander 表示，這種“顯著效果的關鍵在於銠的巧妙分布”，銠在納米顆粒表麵上稀疏且不均勻地分布。

目前，氫氣主要在大型集中式設施中生產，之後再將氣體運輸至使用點。相比之下
，光驅動的 SMR 允許按需生成氫氣，這對於加氫站甚至車輛等移動應用具有重要優勢。

“這項研究展示了創新光化學在重塑關鍵工業流程中的潛力，使我們更接近環保可持續的能源未來，”Halas 說道。

該研究得到了羅伯特 A. 韋爾奇基金會（C-1220, C-1222）和空軍科學研究辦公室（FA9550-15-1-0022）的支持。萊斯大學的共享設備管理局提供了寶貴的見解和數據分析支持。

翻譯人：高豐言

來源：https://fuelcellsworks.com/2024/11/12/clean-technology/rice-discovery-taps-hot-carriers-for-on-demand-emissions-free-hydrogen-and-catalyst-regeneration