• 文章导读
  

钌（Ru）基催化剂是目前活性最佳的氨裂解催化剂，然而由于钌的价格昂贵，其他非贵金属催化剂如镍（Ni）、铁（Fe）和碳基材料也得到了广泛的研究。目前，氨裂解催化剂通常由金属和载体组成，其中一些还含有助剂。金属主要是纳米分散的过渡金属颗粒或团簇，载体是氧化物，如氧化镁(MgO)、氧化铝(Al₂O₃)、二氧化铈(CeO₂)、碳纳米管(CNTs)等，助剂多为碱金属盐，如氯化钾(KCl)和硝酸钠(NaNO₃)等。催化剂的活性受多种因素的影响，包括晶体取向、配位数、粒径和载体材料等。

晶面取向：某些金属由于其暴露的高能量晶面而表现出高活性，如具有高活性位密度和低活化能的Ru(001)台阶位。近年来的研究表明，通过设计钌基催化剂的晶面，使其暴露出更多的高能晶面，可以显著提高钌基催化剂的催化活性。配位环境：将Ru加入到沸石结构中会产生配位效应，亚纳米级的Ru纳米颗粒显示出高还原性，并且形成低配位的Ru-O键，从而促进强的金属载体相互作用。粒径：较小的颗粒尺寸通常导致较高的催化活性，因为增加了比表面积和更高的活性位点浓度。与载体的相互作用会对颗粒的大小产生强烈的影响，因此，具有较大表面积的多孔载体有利于金属纳米颗粒的分散。载体：金属氧化物具有酸性或碱性、氧空位或氧化还原性质，这些性质也是催化活性的原因。碱性载体通常是促进氨裂解的首选载体，因为碱性金属是一个很好的电子给体，可以降低金属与N之间的键能，从而促进N原子的脱附。

反应器的设计对提高催化系统的整体效率具有重要意义。在实际应用中，为了优化催化性能，人们设计了多种反应器，如膜反应器、微通道反应器、直接焦耳加热反应器和热循环反应器等。

膜反应器通常用于从输出的H₂/N₂气体中分离纯氢，以及消除因残余NH₃的存在而引起的腐蚀问题，金属钯及其合金是目前最常用的膜材料。膜反应器的主要缺点是需要在渗透侧扫气来帮助氢气流动，在此过程中，氢气被稀释，这违背了获得浓缩氢气的初衷。

微通道反应器通过使用具有高表面积/体积比的结构化通道提供改进的传质和传热。随着板数的增加，它很容易按比例放大，扩散路径的延长使NH₃完全转化。但对于大尺寸的微通道反应器，应解决有关反应物回流和催化剂涂层易碎的挑战。

焦耳加热反应器利用焦耳效应，使电流通过阻性材料而产生热量，特别适用于直接加热应用，然后氨直接通过高温区，在催化剂的辅助下自发分解为氮和氢。焦耳加热概念的缺点是，加热材料的价格昂贵，直接加热方法也会导致严重的体积膨胀，影响材料的机械稳定性。

热循环反应器利用回收的产品气体产生额外的热量，而不需要外部加热。通过精细设计和制造，该反应器具有显著提高氨分解效率的潜力。但需要指出的是，这类系统相对复杂，需要严谨的设计加工，在一定程度上可能不适合大规模工业应用。

向中华， 北京化工大学化学工程学院教授，博导；国家重点研发计划首席科学家（2022）；国家优秀青年科学基金获得者、北京市杰出青年基金获得者。2007年获湘潭大学学士学位；2013年获北京化工大学博士学位；2013~2014年美国凯斯西储大学博士后；2014年至今在北京化工大学工作。主要围绕燃料电池和空气液流电池应用的共价有机聚合物（COP）能源材料的分子设计与工程制备。近年来在AIChE J.、Sci. Adv.、Nat. Commun.、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Mater. 等SCI期刊发表论文百余篇，h指数为41，总被引7000余次。授权发明专利19件，其中6件已转让。牵头承担科技部重点研发计划、国家自然科学基金国际合作重点项目、中石油等横向项目。获教育部自然科学一等奖；中国化工学会第九届侯德榜化工科技青年奖；中国可再生能源学会优秀科技人才奖；2017年入选第三届中国科协青年人才托举工程。任Green Chemical Engineering、eScience、Chinese Chemical Letters期刊青年编委；中国可再生能源学会青年工作委员会副主任；中国可再生能源学会氢能专业委员会委员；中国化工学会国际学术交流工作委员会委员等。

第一作者

翟玲玲，北京化工大学副教授，硕导。2021年获香港理工大学博士学位，随后留校开展博士后研究工作，2022年11月加入北京化工大学。主要研究方向为氨-氢燃料电池和原位表征技术。