1. 文章信息

標題： Mitigating Hydrogen Poisoning for Robust Ammonia-to-Hydrogen

Conversion over Photothermal Catalysts            

中文標題：  光熱催化（huà）劑上氨-氫轉化的（de）氫中毒（dú）緩解

頁碼： 10470−10479    

DOI： doi.org/10.1021/acscatal.5c01411

2. 文章鏈（liàn）接

 https://pubs.acs.org/10.1021/acscatal.5c01411 

3. 期刊信息

期刊名： ACS catalysis           

ISSN： 2155-5435          

2021年影響因子：  13.7       

分區信息：    中科院一區          

涉及（jí）研究（jiū）方向：  光熱催化          

4. 作者信息：第一作者是  柳建明。通訊作（zuò）者為    李朝升。

5.推薦產品：CEL-HXF300氙燈光源；

  隨著全球對（duì）清潔能源需求的日（rì）益（yì）增長，氫能因其零（líng）碳排（pái）放特性被視為未來能源體係的重要組成部分。然而，氫氣的儲存和（hé）運輸問題一直是製約其大規模應用的（de）瓶頸（jǐng）。氨（NH₃）作為一種高效的氫載體（tǐ），因其高氫含量（17.7 wt%）和（hé）易於液化的特性備受關注。通過氨分解製氫（NH₃-to-H₂）是實（shí）現氫能經濟的關鍵技術之一。傳統（tǒng）的熱催化（huà）氨分解需要高溫和化石能源支持（chí），且易引發催化劑中毒和失活。因此，開發高效、穩定（dìng）的新型催化技術成為研究熱點。

  光熱（rè）催化技術結合了光催化和熱催化的優勢（shì），利用太（tài）陽能驅動反應，不僅降低了能耗，還能通過“熱載流子”效應提升催化效率。然而，氨分解過程中產生（shēng）的氫原子易吸附在催化劑表麵，占據活性位點，導致“氫中毒”現象，嚴重製約反應效率。本文針對這（zhè）一問題，設計了一種基（jī）於Ru/γ-Al₂O₃的光熱催化劑，通（tōng）過調控熱載流子行為，顯著緩解氫中毒並提升催化穩定性（xìng）。

研（yán）究（jiū）方（fāng）法與催化劑設計

研究團隊（duì）采用浸漬（zì）法製（zhì）備了三（sān）種（zhǒng）金屬（Ni、Au、Ru）負載的（de）γ-Al₂O₃催化劑（M/γ-Al₂O₃），並通過X射線衍射（XRD）、透射電子顯微鏡（jìng）（TEM）、X射線（xiàn）光電（diàn）子能譜（XPS）和原位紅外光譜（pǔ）（DRIFTS）等手段對催化劑進行了係統表征（zhēng）。結果（guǒ）表明，Ru/γ-Al₂O₃催化劑中的Ru納米顆粒以（yǐ）金（jīn）屬態（Ru⁰）和部分氧化態（Ru⁴⁺）共存，且與載體γ-Al₂O₃形成強相互作用，有效抑製了（le）顆粒團（tuán）聚（圖1a-e）。

關鍵實驗設計：

光熱催化與熱催化對比：在相同表麵溫度下，Ru/γ-Al₂O₃在光熱（rè）條件下的氨轉化率（84.8%）顯著高於熱（rè）催化（36.5%），且（qiě）H₂產率達（dá）到1.7 mol·g⁻¹·h⁻¹（圖2a）。

氫中毒實驗：通過調控反應氣氛中的H₂濃度，發（fā）現光熱催化能顯著降低氫（qīng）中毒效應，反應級數（β(NH₃)）從（cóng）熱催化的3.31降至0.23（圖2f）。

同位素（sù）標記實驗：使用ND₃替代NH₃，證實了Ru-H*鍵的斷裂是（shì）反應的關鍵步驟（圖3c-d）。核心發現與機理分析熱載流子促進Ru-H*鍵斷裂：原位DRIFTS顯示，光照下Ru/γ-Al₂O₃表麵的（de）Ru-H*鍵（1870 cm⁻¹）強度顯著降低（圖（tú）3b）。

熱載流子通過電子（zǐ）激發削弱Ru-H*鍵（jiàn），加速H₂脫附，從而減少活性位點占據（jù）（圖4e）。

理論計算表明，光熱催化將NH₃分解的表觀活化（huà）能從熱催化的2.71 eV降至2.54 eV（圖4a）。

抑製催（cuī）化劑團聚：

  熱載流子局域化於Ru納米顆粒，避免載體γ-Al₂O₃的結構破壞。經過1200小時連續反應，Ru顆粒尺寸保持約5.5 nm，而（ér）熱催化下則增長至8.1 nm（圖S22）。

高效能量轉化：

  光熱催（cuī）化的光-to-H₂能量效率達22.4%，遠高於熱催化的0.5%（圖2g）。在戶外自然光條件下，H₂產率穩定在1.1–1.7 mol·g⁻¹·h⁻¹（圖（tú）4g）。

  創新性與應用前景

科學創新：

  首（shǒu）次揭（jiē）示熱載流子（zǐ）在氨分解中對Ru-H*鍵的定向調控作用，為氫中毒問（wèn）題提供了新解決方案（àn）。

  通過多尺（chǐ）度表征（如WT-EXAFS和原位紅外）闡明了金屬-載體相互作用對穩定性的影響。

技術（shù）潛（qián）力：

  該催化劑在工業級空速（sù）（GHSV=30 L·g⁻¹·h⁻¹）下保持長期穩定（dìng）性，適合規模化應用（yòng）。

  結合太（tài）陽能聚焦技術（shù）（如菲涅爾透鏡），可進（jìn）一步降低能耗，推動“綠氫”經濟。