先進鈷基催化劑可提升氫燃料電池汽車效率並降低成本

用於NH₃分解反應的SMSI核殼結構催化劑組成優化：

a）透射電子顯微鏡下的Co@BaAl₂O₄₋ₓ異質結構；

b–c）平均Co顆粒尺寸為14.2±2.7 nm、殼層厚度為3.0±0.1 nm的核殼結構；

d）Co@BaAl₂O₄₋ₓ與Co/BaAl₂O₄₋ₓ在不同空速（WHSV）下的NH₃轉化率及對應的H₂產率；

e）反應後Co/BaAl₂O₄₋ₓ的掃描透射電子顯微鏡圖及電子能量損失譜（EELS）元素分布圖，顯示在核殼界麵處氮物種的富集。

**圖片來源：**2025年香港理工大學科研與創新辦公室，版權所有。

隨著可再生能源與電動汽車的興起，氫能汽車正受到越來越多的關注。香港理工大學應用物理學係助理教授李孟蓉（Molly Mengjung Li）教授致力於以氨作為氫載體的研究
，近期成功開發出一種高效、低成本的催化劑，為氫能汽車的實際應用提供了新的技術突破。

quanqiunengyuanxiangkechixufangxiangzhuanxing

，shiqingnengqichechengweiqingjiejiaotongdeqianyanfangan。geguozhengfuyuchanyejiezhengjijituidongjiaotongtuotanhua，erqingranliaodianchiqichepingjiegaonengxiaoyulingpaifangtezhengzhenghuodeguangfanrenke。raner
，qingnengqichedepujibujinqujueyuranliaodianchibenshendejishujinbu，haiyilaiyuqingqideanquan
、高效與經濟的儲存及釋放方式。

李教授團隊正探索以氨（NH₃）作為氫燃料載體的可能性
，並研究氫能儲存體係的穩定性
，以推動氫能汽車的推廣應用。相關研究成果發表於《Advanced Materials》（《先進材料》）期刊，提出了一種高效、低成本的催化劑，用於促進氫氣生成反應。

氫氣（H₂）在燃料電池中與氧氣（O₂）反應生成電能

，僅產生水（H₂O）作為副產物。這一反應為化石燃料燃燒提供了清潔替代方案
，兼具環境與運行優勢。然而，氫氣體積能量密度低、儲運困難，長期以來一直是限製其大規模應用的關鍵障礙。

在眾多解決策略中


，化學載體如氨（NH₃）被視為極具前景的選擇。NH₃具有成熟的生產與分配體係、較高的氫密度
，並可在無碳氧化物排放的條件下釋放氫氣。因此，NH₃裂解生成N₂和H₂的反應成為燃料電池汽車車載製氫的關鍵環節。

盡管如此
，NH₃裂解技術的實際應用仍受製於對釕（Ru）基催化劑的依賴。Ru催化劑在低溫NH₃分解中表現優異，但其稀缺性與高成本限製了大規模應用。這促使全球科研界致力於開發基於地殼豐富、非貴金屬的新型替代催化劑。

Co@BaAl₂O₄₋ₓ催化劑的優異性能關鍵在於核殼界麵處晶格應變的動態演化。 同步輻射X射線衍射與電子顯微分析顯示，鈷晶格在界麵處發生膨脹，對應約+3.2%的拉伸應變。該應變調控了鈷的電子結構——X射線吸收與光電子譜證實其價態升高，d帶中心正向偏移。密度泛函理論計算進一步驗證，應變作用使鈷表麵d帶中心上移，增強其對NH₃的吸附親和力，並加速關鍵的N–H鍵斷裂步驟。
**圖片來源：**2025年香港理工大學科研與創新辦公室
，版權所有。

鈷（Co）因其合適的氮結合能和較低的中毒敏感性，成為極具潛力的候選金屬。然而

，傳統Co基催化劑通常需在高溫（>600 °C）下才能獲得理想氫產率，這在強調能效與緊湊反應器設計的車載應用中並不現實。

為解決這一問題，近年來研究者聚焦於通過催化劑設計提升低溫活性
，其中“晶格應變調控”成(cheng)為(wei)關(guan)鍵(jian)策(ce)略(lve)。該(gai)方(fang)法(fa)通(tong)過(guo)在(zai)催(cui)化(hua)劑(ji)與(yu)載(zai)體(ti)界(jie)麵(mian)引(yin)入(ru)應(ying)變(bian)效(xiao)應(ying)來(lai)改(gai)變(bian)活(huo)性(xing)位(wei)的(de)電(dian)子(zi)結(jie)構(gou)
，從(cong)而(er)優(you)化(hua)反(fan)應(ying)物(wu)的(de)吸(xi)附(fu)與(yu)轉(zhuan)化(hua)。李(li)教(jiao)授(shou)團(tuan)隊(dui)借(jie)鑒(jian)這(zhe)一(yi)思(si)路(lu)
，設(she)計(ji)出(chu)一(yi)類(lei)新(xin)型(xing)核殼結構催化劑，代表性體係即為Co@BaAl₂O₄₋ₓ異質結構。

性能測試結果表明，Co@BaAl₂O₄₋ₓ在中溫下表現出優異的NH₃分解活性。在高空速條件下，其氫氣生成速率可達64.6 mmol H₂ gcat⁻¹ min⁻¹
，並在475–575 °C範圍內保持幾乎完全的NH₃轉化。這一性能可與多種Ru基催化劑相媲美，甚至有所超越
，同時大幅降低了成本與供應風險。

先進的表征手段（包括同步輻射X射線吸收譜與電子顯微分析）證實該催化劑具有明確的核殼結構，並在反應後界麵處富集氮物種，進一步說明異質結構在促進反應中的關鍵作用。

為進一步驗證核殼結構的優勢
，研究團隊還與傳統負載型催化劑Co/BaAl₂O₄₋ₓ進行了對比。兩者具有相似的鈷納米粒徑，以確保對比公平。結果表明：雖然兩種催化劑的NH₃轉化率均隨溫度升高而增加
，但核殼型Co@BaAl₂O₄₋ₓ的起始反應溫度明顯更低（200 °C對比250 °C），並在500 °C時(shi)實(shi)現(xian)近(jin)乎(hu)完(wan)全(quan)轉(zhuan)化(hua)，而(er)傳(chuan)統(tong)負(fu)載(zai)型(xing)催(cui)化(hua)劑(ji)則(ze)需(xu)更(geng)高(gao)溫(wen)度(du)。此(ci)外(wai)
，核(he)殼(ke)結(jie)構(gou)在(zai)高(gao)流(liu)速(su)下(xia)表(biao)現(xian)出(chu)更(geng)優(you)穩(wen)定(ding)性(xing)，而(er)傳(chuan)統(tong)催(cui)化(hua)劑(ji)性(xing)能(neng)急(ji)劇(ju)下(xia)降(jiang)。

Co@BaAl₂O₄₋ₓ核殼催化劑的開發標誌著在車載氨裂解製氫領域向高效
、無Ru催化劑邁出了重要一步。通過利用晶格應變工程與金屬–載體強相互作用，該體係在低溫下實現了此前僅貴金屬才能達到的活性與穩定性。

本(ben)研(yan)究(jiu)的(de)機(ji)理(li)性(xing)發(fa)現(xian)不(bu)僅(jin)為(wei)清(qing)潔(jie)能(neng)源(yuan)催(cui)化(hua)劑(ji)的(de)設(she)計(ji)提(ti)供(gong)了(le)新(xin)思(si)路(lu)
，也(ye)凸(tu)顯(xian)了(le)界(jie)麵(mian)工(gong)程(cheng)在(zai)多(duo)相(xiang)催(cui)化(hua)中(zhong)的(de)變(bian)革(ge)潛(qian)力(li)。隨(sui)著(zhe)氫(qing)能(neng)經(jing)濟(ji)的(de)持(chi)續(xu)發(fa)展(zhan)，這(zhe)類(lei)創(chuang)新(xin)技(ji)術(shu)將(jiang)在(zai)實(shi)現(xian)氫(qing)能(neng)交(jiao)通(tong)可(ke)持(chi)續(xu)化(hua)方(fang)麵(mian)發(fa)揮(hui)關(guan)鍵(jian)作(zuo)用(yong)。

更多信息：
Pei Xiong 等，《Efficient Low‐temperature Ammonia Cracking Enabled by Strained Heterostructure Interfaces on Ru‐free Catalyst》，Advanced Materials（2025）。DOI: 10.1002/adma.202502034

來源：《先進鈷基催化劑可提升氫燃料電池汽車效率並降低成本》。

翻譯人：沈亞皓

來源：https://fuelcellsworks.com/2025/10/10/h2/advanced-cobalt-based-catalysts-can-boost-efficiency-in-hydrogen-fuel-cell-vehicles-and-cut-costs