使用光能在环境压力下将氨转化为氢燃料的新型催化剂

莱斯纳米光子学实验室（LANP）在本周的“ 科学”杂志上发表的一项研究描述了新的催化纳米粒子，它主要由铜和微量的钌金属制成。测试表明催化剂受益于光诱导的电子过程，该过程显着降低了钌分解氨分子的“活化势垒”或所需的最小能量。

随着政府和工业界投入数十亿美元用于开发无碳液态氨燃料的基础设施和市场，这些都不会导致温室气候变暖。但研究人员表示，等离子体效应可能超出“氨经济”的影响。

“减少催化活化障碍的一般化方法对许多经济部门都有影响，因为催化剂被用于制造大多数商业化生产的化学品，”LANP主任Naomi Halas说，他是一位化学家和工程师，他花了超过25年的时间开创了这一用途。光活化纳米材料。“如果在我们的合成中可以用其他催化金属代替钌，这些等离子体的好处可以应用于其他化学转化，使它们更具可持续性和更便宜。”

催化剂是加速化学反应而不会自身反应的材料。日常的例子是催化转换器，可减少车辆排气的有害排放。化学品生产商每年在催化剂上花费数十亿美元，但大多数工业催化剂在高温和高压下效果最好。氨的分解是一个很好的例子。每个氨分子含有一个氮和三个氢原子。钌催化剂广泛用于分解氨并产生氢气（H2），氢气是唯一副产品是水的燃料，氮气（N2）占地球大气的约78％。

该过程开始于氨粘附或吸附到钌上，并且随着氨中的键逐个被破坏而进行一系列步骤。留下的氢和氮原子抓住一个伙伴然后从钌表面离开或解吸。最后一步证明是最关键的，因为氮对钌具有很强的亲和力，并且喜欢粘附在一起，这会阻止表面吸引其他氨分子。为了驱走它，必须为系统增加更多的能量。

研究生临安舟的主要作者科学的研究中，说LANP的铜-钌催化剂的效率，从产生的钌反应点局部能量光诱导电子化进程，这有助于解吸派生。

这种被称为“热载体驱动的光催化作用”的过程起源于不断旋转通过铜纳米颗粒的电子海洋。入射光的某些波长与电子海共振并建立称为局部表面等离子共振的节奏振荡。LANP开创了越来越多的技术，这些技术利用等离子共振技术应用于变色玻璃，分子传感，癌症诊断和治疗以及太阳能收集等多种应用。

2011年，LANP公司的Peter Nordlander是世界领先的纳米粒子等离子体理论专家之一，Halas及其同事表示，等离子体可以用来增加短暂的，高能量电子的数量，称为“热载体”，这些电子在光照下产生打击金属。2016年，包括Dayne Swearer在内的LANP团队也是本周研究的合着者，他表示等离子体纳米粒子可以在“天线 - 反应器”设计中与催化剂结合，其中等离子体纳米粒子充当天线以捕获光能并通过近场光学效应将其转移到附近的催化反应器中。

“那是第一代，”周说，天线反应堆。“主要的催化作用来自于天线在吸收光线时引起的近场。这个近场驱动相邻反应堆的振荡，然后产生热载流子。但是如果我们可以有热载流子可以直接到达反应堆并推动反应，效率会更高。“

周化学家花了几个月精炼铜钌纳米粒子的合成，铜钌纳米粒子比红细胞小得多。每个纳米粒子含有数万个铜原子，但只有几千个钌原子，取代了粒子表面上的一些铜原子。

“基本上，钌原子散布在铜原子的海洋中，正是铜原子吸收了光，它们的电子一起来回摇晃，”Swearer说。“一旦这些电子中的一些通过称为非辐射等离子体衰变的量子过程获得足够的能量，它们就可以在钌位点内定位并增强催化反应。

“室温约为300开尔文，等离子体共振可以将这些热电子的能量提高到10,000开尔文，所以当它们定位在钌上时，这种能量可以用来破坏分子中的键，有助于吸附，更重要的是解吸，“Swearer说。

就像金属野餐桌在阳光明媚的下午加热一样，白色激光 - 周的实验中的阳光替代 - 也导致铜 - 钌催化剂加热。由于没有办法直接测量颗粒中产生多少热载流子，周用了热感应相机，花了几个月的时间进行了艰苦的测量，以便将热诱导的催化效应与热载体引起的催化效应区分开来。

“大约20％的光能被捕获用于氨分解，”周说。“这很好，我们认为我们可以通过改进来改进这一点并制造更有效的催化剂。”

周和哈拉斯说，该团队已经在进行后续实验，看看其他催化金属是否可以替代钌，最初的结果很有希望。

“现在我们已经了解了热载体在等离子体介导的光化学中的特定作用，它为特定应用设计节能等离子体光催化剂奠定了基础，”Halas说。

另外的共同作者包括张超，Hossein Robatjazi，赵杭琪，卢克亨德森和梁良亮，他们都是赖斯; 加州大学圣巴巴拉分校的菲利普克里斯托弗; 和普林斯顿大学的艾米莉卡特。

Halas是Rice的Stanley C. Moore电气和计算机工程教授，化学，生物工程，物理和天文学，材料科学和纳米工程教授。Nordlander是Wiess主席和物理与天文学教授，电气与计算机工程，材料科学与纳米工程教授。