莱斯大学开发新型制氢催化剂 通过光而不是热来驱动反应

氢气具有清洁燃烧、高效且用途广泛等优势，在向可持续能源生态系统过渡的过程中扮演着重要角色。然而，目前全球超过一半的氢气是通过化学过程来生产的，而这是温室气体排放的重要来源。

据外媒报道，莱斯大学（Rice University）的研究人员开发出一种催化剂，可以通过光而不热量来驱动反应，从而使蒸气甲烷重整（SMR）过程完全无排放。此外，这项研究可能有助于延长催化剂寿命，从而提高效率，并降低许多受焦化（一种可以使催化剂失活的碳堆积形式）困扰的工业过程的成本。

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下时，无需外部加热即可使甲烷和水蒸气分解为氢和一氧化碳。一氧化碳是有价值的化学工业原料，而不是温室气体。莱斯大学教授Peter Nordlander表示，这提供了更好的替代方案，“我们开发了一种全新的、更可持续的SMR方法”。

新SMR反应途径利用了莱斯大学Naomi Halas和Nordlander实验室2011年的发现，即等离子体（当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，用于驱动化学反应。莱斯大学博士生Yigao Yuan表示：“我们进行等离子体光化学研究，因为等离子体是非常有效的光吸收剂，可以产生非常高的能量载流子，比传统热催化更有效地完成所需化学反应。”

新催化剂系统采用铜纳米颗粒作为能量吸收天线。然而，由于铜纳米颗粒等离子体表面无法与甲烷很好地结合，研究人员撒入铑原子和团簇作为反应器位点。铑斑点（rhodium specks）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。Yuan表示：“我们测试了许多催化剂，这个系统表现最好。”

该研究还表明，天线反应器技术可以利用热载体去除氧气和碳沉积，从而克服因氧化和焦化引起的催化剂失活问题，有效地实现催化剂的光再生。Nordlander表示，实现这种卓越效果的关键在于巧妙放置铑，它们少量而不均匀地分布在纳米颗粒表面。

目前，大部分氢是在大型集中设施中生产的，需要将气体运输到使用地点。相比之下，光驱动RSM可以按需制氢。对于加氢站甚至车辆等移动出行相关应用，这是一个关键优势。Halas教授表示：“这项研究展示了创新光化学重塑关键工业过程的潜力，有助于进一步实现环境可持续性能源未来。”