科学家在氨分解制氢研究中取得新进展

近日，中国科学院大连化学物理研究所氢能与先进材料研究部氢化物能源化学研究中心（DNL1901组群）陈萍研究员、郭建平研究员、高文波副研究员团队在氨分解制氢研究中取得新进展，开发了一种由碱金属及其氨基化合物介导的化学链氨分解制氢（CLADH）新工艺。与传统热催化氨分解制氢（TADH）工艺相比，CLADH能够在更低的温度下实现高效氨分解，为温和条件下的制氢提供了全新思路。

氨分解制氢是“氨-氢”能源技术路线的关键环节之一，当前迫切需要开发温和条件下高效的氨分解制氢新工艺。氨分解制氢反应（2NH₃(g) ? N₂(g) + 3H₂(g)）是一个吸热增熵反应，在400℃、1bar条件下，该反应的平衡转化率可超过99%。然而，由于反应存在较大的动力学阻力，传统的TADH过程通常需要在较高的温度才能实现NH₃的完全分解。例如， Ru基催化剂温度需要500℃以上，而非贵金属Ni催化剂则需要600℃以上。尽管研究人员一直致力于设计开发新型高效的氨分解催化剂，但目前几乎没有热催化剂能够在较低温条件下（≤ 400℃）实现氨的完全转化。因此，开发温和条件下的高效氨分解催化剂或新工艺是该领域的研究重点。

本工作中，团队基于前期的氢化物介导低温催化合成氨（Nat. Chem.，2017；Nat. Catal.，2021；Nat. Chem.，2024）、亚氨基化物介导热化学链（CLAS）合成氨（Nat. Energy，2018； ACS Energy Lett.，2023）、过渡金属-氨基化合物介导的高效氨分解制氢（Angew. Chem. Int. Ed.，2015）等研究，提出了CLADH新工艺。研究发现，采用NaNH2或KNH2作为载氨体的CLADH过程包括两个步骤：第一步为氨化过程，即金属Na或K分别与NH3反应生成NaNH₂或KNH₂，可在室温下释放三分之一的H₂（A(s) + NH₃(g) → ANH₂(s) + 1/2 H₂(g)）；第二步为分解过程，即NaNH₂或KNH₂在275℃以上分解为N₂和H₂，同时再生金属Na或K，完成循环 （ANH₂(s) → A(s) + 1/2 N₂ (g)+ H₂(g)）。在MnN催化剂作用下，KNH₂和NaNH₂在400℃和425℃时CLADH的转化率分别为99%和98%，接近完全转化。而在相同温度下，MnN-KNH₂、MnN-NaNH₂在TADH的氨分解转化率仅有7%和13%。此外，CLADH过程的两步反应具有较大的反应焓值，理论上的储热密度约为现有MgH₂/Mg和Mg₂FeH₆/MgFe储热材料体系的1.5倍，在储热研究领域具有应用潜力。本工作开发了一种温和条件下实现高效氨分解的新工艺，并展示了化学链过程在热能存储领域应用的潜力。

相关工作以“Chemical Looping Ammonia Decomposition Mediated by Alkali Metal and Amide Pairs for H2 Production and Thermal Energy Storage”为题，于近日发表在《先进能源材料》（Advanced Energy Materials）上，该工作的第一作者是我所1901组群博士后冯圣。上述工作得到了科技部重点研发计划、国家自然科学基金、中国科学院青促会等项目的支持。（文/图 冯圣、高文波）

文章链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aenm.202401252