Discovery 利用“热载体”实现按需、无排放的氢气和催化剂再生
作为一种清洁燃烧、高效且用途广泛的能源商品，氢可以在向可持续能源生态系统的过渡中发挥关键作用。然而，目前全球一半以上的氢气生产都来自化学过程，而化学过程是温室气体排放的重要来源。莱斯大学的研究人员开发出一种催化剂，利用光而不是热来驱动反应，使蒸汽甲烷重整 (SMR) 完全无排放。此外，这项研究可能有助于延长催化剂的使用寿命，提高效率，降低受焦化（一种会使催化剂失活的碳累积形式）困扰的许多工业过程的成本。
新型铜铑光催化剂采用天线反应器设计，当暴露于特定波长的光时，无需外部加热即可将甲烷和水蒸气分解为氢气和一氧化碳，后者是一种有价值的化学工业原料，但不是一种温室气体。
“这是我们迄今为止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，”莱斯大学威斯讲席教授、物理学和天文学教授、电气和计算机工程、材料科学和纳米工程教授彼得·诺德兰德 (Peter Nordlander) 表示。“我们开发了一种全新的、更可持续的 SMR 制造方法。”
Nordlander 和莱斯大学教授、电气与计算机工程系 Stanley C. Moore 教授 Naomi Halas 是该研究的通讯作者，这项研究发表在《自然催化》杂志上。
新的 SMR 反应途径利用了赖斯大学 Halas 和 Nordlander 实验室2011 年的发现，即等离子体（金属纳米颗粒暴露在光线下时发生的电子集体振荡）可以发射“热载流子”或高能电子和空穴，可用于驱动化学反应。
“我们进行等离子体光化学研究，等离子体是我们研究的关键，因为等离子体是十分高效的光吸收剂，它们可以产生高能载体，比传统的热催化更高效地完成我们需要的化学反应，”该研究的第一作者、莱斯大学博士生袁一高 (Yigao Yuan) 说道。
新的催化剂系统使用铜纳米粒子作为其能量收集天线。然而，由于铜纳米粒子的等离子体表面与甲烷结合不佳，因此铑原子和簇被撒入反应器中。铑斑点将水和甲烷分子结合到等离子体表面，利用热载体的能量为 SMR 反应提供燃料。
袁志军表示：“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。”
研究还表明，天线反应器技术可以克服由于氧化和焦化而导致的催化剂失活问题，方法是使用热载体去除氧气和碳沉积物，有效地利用光再生催化剂。诺德兰德说，这种“显著效果的关键是巧妙地放置铑”，铑在纳米颗粒表面分布得稀疏且不均匀。
目前，氢气大多在大型集中设施中生产，需要将氢气运输至使用地点。相比之下，光驱动 SMR 可实现按需制氢，这对于加氢站甚至车辆等移动相关应用而言是一个关键优势。
哈拉斯说：“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。”
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