太阳“晒”出氢和氨
——记陕西省科技奖自然科学一等奖成果高活性低本钱水分解制氢催化剂
太阳供应的能源是地球和人类赖以生存的根本，也是取之不尽、用之不竭的可再生能源。将太阳能转化成清洁能源——氢和氨，一贯是全人类可持续发展的梦想。然而，当前环球96%的氢来源于化石燃料，制取工艺过程存在碳排放量大、条件苛刻、能耗高档问题。如今，西安交通大学、榆林学院环绕太阳能驱动的光/电催化水分解制氢关键技能展开系统研究，提出了低本钱、高活性水分解制氢催化剂的设计谋略及其构造调控方法，实现了温和条件下氢的低本钱高效绿色制取，将梦想逐渐变为现实，也因此荣获2022年度陕西省科技奖自然科学一等奖。
催化理论获高度评价
太阳光向清洁化学能转变，催化是关键手段。在催化反应中，催化剂设计则是关键难题。
西安交通大学化学工程与技能学院院长杨贵东见告，经由10多年潜心研究，他们在水分解制氢催化剂的构造设计及浸染机制研究方面占领了许多科学难题，取得了突出古迹。例如，他们针对光电催化剂界面载流子极易复合问题，通过构筑同质节、异质结等手段，强化水分解反应过程中光生电荷的定向迁移，有效降落了光生电子和空穴的复合;针对传统催化剂光滑表面难以实现水分子有效吸附的难题，通过构筑催化剂表面毛病位点，揭示水吸附影响界面反应速率的浸染机制，阐明水吸附对产氢活性的关键浸染;针对光催化界面反应速率低的问题，开拓了精准调控催化剂孔道构造与限域反应空间的新策略，实现了分解水产氢活性的显著提升。同时，针对光催化全解水反应过程中热力学能垒过高和动力学过程繁芜的问题，他们通过双助催化剂的功能化表面设计，改变反应路径，降落反应能垒，显著提升了全解水活性。
这些创新的学术成果，赢得了国内外专家学者的高度评价。英国皇家工程院外籍院士、新加坡工程院院士、新加坡国立大学副校长Seeram Ramakrishna教授表示，这种高结晶度鱼鳞状氮化碳多孔纳米片非常有利于光接管以及电荷转移与分离，增强光接管能力和光催化活性，产氢速率较普通纳米片提升了2.93倍。美国环境保护署(EPA)高等科学家、捷克帕拉茨基大学Rajender S.Varma教授表示，杨贵东团队研发的有序多孔构造催化剂，能有效促进电荷体内到表面的迁移，降落电荷复合率，进而促进氧化还原反应。
从绿氢到绿氨的超过
合成氨是揭开当代化学工业序幕的标志性工艺。当前，全天下以哈伯法工艺为主的工业合成氨年产量已达2.5亿吨。这种高温高压的合成工艺能耗较高，每年总耗能约占环球总能源花费的2%，二氧化碳排放量约占环球总碳排放量的1.6%。
太阳能驱动的光/电催化分解制氢，是一种高效、绿色、低碳的颠覆性制氢技能，具有主反应过程零碳、低能耗、常温常压等特点。但氢气存在不易储存、能量密度较低的缺陷。这个思路能否用于太阳能光电催化合成能量密度较大、可作为储氢载体的氨，从而将合成氨反应条件从传统哈伯法的高温高压变革为常温常压?杨贵东团队又向这个环球颠覆性制氨技能发起了科学寻衅，承担了科技部光电催化领域国家重点研发操持“变革性技能关键科学问题”重点专项项目——低能耗、低碳排放氮气—水光电催化合成氨关键技能。
“我们通过聚焦催化浸染事理、反应器设计、系统集成等研究，开拓了新型铜基合成氨催化剂及其可控宏量制备技能，阐明了光电催化反应条件下N-N键活化和N-H键形成的浸染事理，构建并联的光电催化合成氨反应器系统，形成自主知识产权的颠覆性合成氨制备技能。”杨贵东说。该技能将哈伯法的氮气—氢反应体系变为以湿空气为质料的光电催化转化新体系，在太阳光照射条件下一步生产稀氨水，首创了低能耗、低碳排放、短流程的绿色合成氨新路子。
据先容，杨贵东团队创新发明了一套自主知识产权的反应器装备，去年在西安完成反应器部件及聚光部件的集成设计与实验性能测试。试验结果表明，当太阳光照射在反应器阳极时湿空气瞬间发生反应，在常温常压条件下单个反应器氨产量达4~5克/小时。
理解到，这种变革性的合成氨技能正在迈向工业化。目前，杨贵东团队与国能榆林化工有限公司和华陆工程科技有限任务公司开展互助，进一步研发高效生产技能装备系统，通过工艺整合与设备系统结合，将光电催化合成氨全新生产工艺推向家当化运用。8月下旬，环球首套百吨级光电催化合成氨集成工业示范项目互助协议签约，启动开展工艺包体例及工业示范装置培植，估量明年上半年在陕西榆林建成并试运行。据测算，这种合成氨新工艺吨氨产品耗能(煤、电)险些为零，水耗仅为0.1吨，投资及本钱大幅低落，而且无“三废”排放。(李军)
