热催化氨分解制氢研究进展
热催化氨分解制氢研究进展
氨是一种优秀的氢储运介质，高效的氨分解技术对于降低氢气成本，构建零碳能源结构的社会有深远的意义。
研究背景
氨气作为一种极具前景的零碳氢源，克服了氢气储存和运输的固有挑战。目前，热催化氨分解制氢技术已成为科学研究的重点。尽管一些贵金属催化剂和膜反应器在热催化性能上取得了显著成果，但成本高和能耗大等问题仍然是限制其大规模应用的阻力。为了真正确立氨气作为零碳氢源的地位，开发高效的非贵金属催化剂，并构建利用可再生能源的高效氨分解反应系统十分必要。
图1 图文摘要
氨分解制氢技术是是一种从氨中提取氢气作为能源的方法，其过程涉及将氨分解为氮气和氢气。这项技术在氢能应用中具有重要的意义，原因在于氨本身含有较高比例的氢（约17.6%），加之氨相较于氢气在运输和存储方面展现出的便利性，使其成为氢能产业中一个潜力巨大的载体。
催化剂分类与优化
按照催化剂的加热方式可将它们分为传统催化剂和自热催化剂。
传统催化剂中属钌基催化剂性能最优，但作为贵金属催化剂，其产量和价格阻碍了技术的大规模使用。如何生产高效的非贵金属催化剂是目前研究的热点，具体方法包括：
1.合成双金属、高熵合金、金属氮化物、金属酰胺等不同活性组分的催化剂；
2.使用碱（土）金属或稀土金属作为添加剂；
3.探索载体对催化剂性能的影响并对其进行优化（图2）。
图2 多孔Ni/Al2O3氨分解催化剂
自热催化剂是一类不需要外部能量输入即可实现氨分解过程的催化剂。其原理是利用氨氧化燃烧反应的放热过程为氨分解过程提供能量，按照反应循环过程的激活方式又可以分为吸附激发型和氧化激发型。
反应器设计与优化
在实际生产过程中，热催化氨分解所使用的反应器对于整个反应过程具有重要的影响。研究表明，反应器材料和氢气渗透膜材料在新型反应器设计中起着至关重要的作用。反应器的优化可以分为两类：
（1）对于非膜反应器，主要通过制造微通道反应器和单体催化反应器来改善热质传递效率，特别是3D打印技术也被用于制造高效催化结构。（2）对于膜反应器，通过将氢气渗透膜集成到反应器中，利用氢气透过膜的扩散，降低反应区的氢气浓度，从而推动氨分解反应的进行（图3）。膜反应器包括传统的填料床膜反应器和新型的催化膜反应器，不同的催化剂布置和膜厚度等参数对反应效率和产氢速率有显著影响。此外，研究还指出，选择合适的膜厚度和优化操作条件是提高氨分解转化率的关键。通过综合考虑这些因素，并运用数学和物理建模方法，可以有效地优化反应器设计，减少能源消耗并提高反应效率。
图3 膜反应器的原理及种类
能量优化策略
在优化系统能量利用方面，主要有两种方法，第一种方法是利用燃烧反应过程中生成的部分氢气为氨分解反应提供所需的热量。通过合理的反应器设计和系统集成，这种自热的氨分解系统能够实现净能量输出。第二种方法是利用可再生能源为反应器提供热量，特别是光热资源。通过太阳能集热器为氨分解反应器提供热量，研究者们设计了基于太阳能驱动的膜反应器，通过模拟和实验验证了系统的可行性（图4）。
图4 太阳能辅助的氨分解系统
总结与展望
为了推进热催化氨分解的实际应用，我们不仅要全面考虑影响催化剂合成的各项因素，积极探索有效的催化剂优化手段，还必须利用计算方法对催化过程进行理论分析和计算。将实验数据与计算结果相结合，可以为深入理解热催化氨分解的机制提供更坚实的理论支撑。此外，还需要继续开发高性能设备和新型系统，以提高整体系统的能量利用效率。同时，探索利用可再生能源驱动的催化氨分解方法，将氨打造为真正的零碳氢源。
本文内容来自The Innovation Energy第1卷第4期发表的Review文章“Advancements in thermocatalytic ammonia decomposition for hydrogen production” (投稿: 2024-09-10；接收: 2024-11-18；在线刊出: 2024-11-20)。