随着可再生能源和电动汽车的兴起，氢动力汽车越来越受到人们的关注。据外媒报道，香港理工大学（Hong Kong Polytechnic University）应用物理学系（Department of Applied Physics）助理教授Mengjung Li及其团队近期开发出一种高效、低成本的催化剂，助力推动氢动力汽车的实用化。

图片来源： 香港理工大学

全球向可持续能源的转型已将氢动力汽车推向清洁交通解决方案的前沿。随着各国政府和各行各业努力实现出行脱碳，氢燃料电池汽车因其高能效和零排放的优势，正日益受到人们的青睐。然而，氢能源汽车的广泛应用不仅取决于燃料电池技术的发展，还取决于氢气本身的安全、高效和经济的储存和释放。

Li教授及其研究团队探索使用氨作为氢燃料载体的可能性，并研究氢能储存的稳定性，以促进氢动力汽车的普及。相关研究成果发表在期刊《Advanced Materials》上，介绍了一种高效廉价的催化剂，以促进氢能的生成反应。

氢气（H2）在燃料电池中使用时，会与氧气（O2）发生反应产生电能，而副产物仅为水（H2O)。该反应为化石燃料燃烧提供了一种极具吸引力的替代方案，具有环保和运行方面的优势。然而，氢气的低体积密度及其储存和运输方面的挑战长期以来一直被认为是其实际应用的重大障碍。

在提出的各种策略中，氨（NH3）等化学载体已成为颇具前景的解决方案。NH3拥有完善的生产和输送基础设施、高氢气密度，并且能够在不产生碳氧化物的情况下释放氢气。因此，NH3分解为N2和H2是燃料电池汽车车载制氢的关键反应。

尽管NH3裂解技术前景光明，但其实际应用面临着一个重大障碍——对钌（Ru）基催化剂的依赖。钌催化剂对低温NH3分解非常有效，但其稀缺性和高成本阻碍了其大规模应用。这促使全球展开研究，以寻找基于地球上储量丰富的非贵金属的替代催化剂。

钴（Co）因其良好的氮结合能和比其他过渡金属更低的催化剂中毒敏感性，已成为一种极具吸引力的候选材料。然而，传统的钴基催化剂通常需要高温（>600℃）才能获得令人满意的氢产率，这限制了它们在移动应用中的应用，因为移动应用对能源效率和紧凑型反应器设计至关重要。

为了应对这些挑战，近期研究重点关注创新的催化剂设计策略，以增强钴基体系的低温活性。其中一种方法是在催化剂-载体界面处设计晶格应变，从而调节活性位点的电子结构，从而优化其与反应物的相互作用。Li教授的研究团队借鉴其他催化体系应变工程方面的进展，开发了一类新型核壳（core@shell）催化剂，以Co@BaAl₂O₄₋ₓ异质结构为例。

在中等温度下分解。在高空速条件下，该催化剂的产氢速率达到64.6 mmol H₂ gcat-1 min-1，并在475°C至575°C之间保持NH₃几乎完全转化。这些结果与许多钌基催化剂相当，甚至超过了它们，但没有相关的成本和供应限制。

包括同步加速器X射线吸收光谱和电子显微镜在内的先进表征技术证实了明确的核壳结构的形成以及反应后界面处氮物种的存在，凸显了异质结构在促进催化过程中的关键作用。

为了进一步阐核壳设计的优势，研究人员对缺乏封装壳的传统负载催化剂Co/BaAl₂O₄₋ₓ进行了比较研究。为了确保公平比较，两种催化剂均采用尺寸相近的钴纳米颗粒制备。结果令人瞩目：虽然两种体系的NH3转化率均随温度升高而升高，但核壳Co@BaAl₂O₄₋ₓ催化剂的活性起始温度明显较低（200°C对比250°C），并在500°C时达到接近完全转化，而负载型催化剂的起始温度甚至更高。此外，核壳结构在高流速下表现出优异的稳定性，而负载型催化剂的性能则急剧下降。

Co@BaAl₂O₄₋ₓ核壳催化剂的开发，代表了氢能汽车氨裂解高效、无钌催化剂研发领域的重大进展。通过利用晶格应变工程和强大的金属-载体相互作用，该系统实现了此前只有贵金属才能达到的低温活性和稳定性。

这项工作获得的机理见解不仅为下一代清洁能源催化剂的设计提供了指导，也凸显了界面工程在异相催化领域的变革潜力。随着氢能经济的不断发展，此类创新对于充分发挥氢能作为未来交通可持续燃料的潜力至关重要。