早稻田大學理工學術院關根泰教授領導的研究團隊成員大淵Yukino（碩士2年級）和土井咲英（碩士畢業生），以及洋馬控股的御手洗健太研究員等人發現了一種透過氨分解製造清潔氫的新方法。研究人員在透過使用新型催化工藝從有望用作儲存和運送氫氣的載體之一的氨中提取氫時，成功地將既往需要400℃的高溫反應降低至200℃以下，即在200℃左右的環境中實施了催化反應。同時研究人員還明確了這種新型催化工藝不同於既往的氨分解反應的原理。
圖：電場氨分解反應（供圖：早稻田大學）
氫作爲實施去碳社會的清潔能源之一，正被不斷擴大利用，但其儲存和運輸仍是一大難題。因此，研究人員一直在探索能有效儲存和運送氫的氫載體，其中氨作爲一個選擇受到關注。
氨是全球合成量最多的化合物之一，其氫含量率高達17.6wt%（重量百分比），且易於液化、便於運輸，因此被視爲可能性較大的氫載體候選物。
然而，將氨用作氫載體時，需要進行氨分解反應才能最終提取出氫。而這種反應在高溫下才容易發生，既往需要400℃以上的高溫才能100%分解氨，因此如果想更高效簡便地獲取氫，降低氨分解反應的溫度便是關鍵。
此次，研究團隊應用了在低溫下促進氫提取反應的電場催化反應，並透過將電極從上到下直接接觸到催化層，並施加電流來加速反應。採用的觸媒是在具有半導體性質的氧化鈰（CeO₂）上，加入貴金屬釕（Ru）或金屬鐵（(Fe）、鎳（Ni）、鈷（Co）等。
研究人員在施加電流的電場氨分解反應中，在以往幾乎無法進行反應的125℃低溫下實施了約100%的氨分解率。此外，研究還發現，不僅是使用昂貴的Ru時，在使用Fe或Ni等廉價金屬作爲觸媒時，也能在低溫下大幅加速反應。
此外，在電場氨分解反應中，研究人員還發現了在100～200℃的溫度範圍内，溫度越低反應速度越高這一與以往不同的特殊現象。根據此結果，研究人員推測出現了一種與溫度越低越有利與吸附現象有關的新反應機制，並進行了一系列實驗來分析該機制。
結果發現，從既往的氨分解機制中，在構成化學反應的基本反應中，進行速度最慢且決定整體反應速度的「律速階段」，即觸媒表面上的氮的解吸作用得到強化。
在既往的反應機制中，氫（H）首先從氨（NH₃）中解吸，而氮（N）會殘留在觸媒表面。之後氮之間相互結合生成氮分子（N₂），而在這一程序則需要較高的能量，這也是導致氨分解反應需要高溫的主要原因。
然而，此次研究採用在觸媒上施加電流的方法，使得氫離子在觸媒表面富集，同時由氮和氫組成的NH的豐度也增加，由於NH之間比N之間更容易結合，因此會生成中間物質N₂H₂，然後氫從該中間物質中解吸，由此完成氨分解反應的反應機制。
研究人員還透過機器學習進行理論類比進一步研究了這一機制。結果表明，在電場反應程序中，經由中間物質N₂H₂的機制更容易在Ru和CeO₂的邊界處發生，這一機制被認爲是促使電場氨分解反應在低溫下進行的重要因素。
研究團隊展望未來表示:「此次成功實施了低溫高分解率的氨分解反應，將使透過工廠、引擎等排放的廢熱來獲取氫氣時，使用小型設備現場獲取氫氣成爲可能，從而擴大氨作爲氫載體的廣泛應用」。
原文：《科學新聞》
翻譯：JST客觀日本編輯部
【論文資訊】
期刊：Chemical Science
論文：Hydrogen production by NH3 decomposition at low temperature assisted by surface protonics
DOI：doi.org/10.1039/d4sc04790g
