光活化纳米材料将成为清洁能源关键

莱斯大学的研究人员已经为氢经济设计了一种关键的光活化纳米材料。仅使用廉价的原材料，科学家们创造了一种可扩展的催化剂，只需要光的力量就能将氨转化为清洁燃烧的氢燃料。这一发现为可持续的、低成本的氢气铺平了道路，这种氢气可以在当地生产，而不是在大规模的集中式工厂生产。

这项研究于11月24日发表在《科学》杂志上，由莱斯大学纳米光子学实验室、Syzygy Plasmonics公司和普林斯顿大学Andlinger能源与环境中心的一个团队进行。

最近政府和工业界为创建无碳液态氨燃料的基础设施和市场而进行持续投资，它不会造成温室效应，这与这项研究有很好的协同作用。由于液氨易于运输，而且蕴含大量的能量，每个分子中有一个氮原子和三个氢原子，因此液氨是一种有希望的未来清洁燃料。

新的催化剂将这些氨分子（NH3）分解成氢气（H2），一种清洁燃烧的燃料，和氮气（N2），地球大气中最大的组成部分。而且与传统的催化剂不同，它不需要加热。相反，它从光中获取能量，无论是太阳光还是节能的LED。

化学反应的速度通常会随着温度的升高而增加，一个多世纪以来，化学品生产商已经通过在工业规模上应用热量来利用这一优势。燃烧化石燃料，将大型反应容器的温度提高数百或数千度，造成了巨大的碳足迹。化工生产商每年还在热催化剂上花费数十亿美元--这些材料不会发生反应，但在强烈的加热下会进一步加速反应。

"像铁这样的过渡金属通常是可怜的热催化剂，"研究报告的共同作者、莱斯大学的Naomi Halas说。"这项工作表明它们可以成为高效的等离子体光催化剂。它还表明，光催化可以用廉价的LED光子源有效地进行。"

用于测试铜铁等离子体光催化剂的光催化平台，用于从氨气中生产氢气。资料来源：布兰登-马丁/莱斯大学的照片

最好的热催化剂是由铂和相关贵金属如钯、铑和钌制成的。Halas和Nordlander花了数年时间开发光激活的，或称质子的金属纳米粒子。其中最好的通常也是用银和金等贵金属制成。

继他们在2011年发现了能放出被称为"热载流子"的短寿命高能电子的质子粒子之后，他们在2016年发现，热载流子发生器可以与催化粒子联姻，产生混合的"天线-反应器"，其中一部分从光中获取能量，另一部分则用能量来驱动具有超高精度的化学反应。

Halas、Nordlander、他们的学生和合作者多年来一直致力于为天线反应器的能量收集和反应加速两部分寻找非贵金属替代品。这项新的研究是这项工作的一个高潮。在该研究中，Halas、Nordlander、莱斯大学校友Hossein Robatjazi、普林斯顿大学工程师和物理化学家Emily Carter等人表明，由铜和铁制成的天线反应器颗粒在转化氨方面非常有效。颗粒中的铜、能量收集片从可见光中捕捉能量。

休斯敦Syzygy Plasmonics公司的铜铁质子光催化剂测试中使用的反应池（左）和光催化平台（右），用于从氨生产氢气。催化作用的所有反应能量都来自LED，其产生的光的波长为470纳米。

Halas研究小组的博士校友Robatjazi说："在没有光的情况下，铜-铁催化剂表现出比铜-钌催化剂低约300倍的反应性，鉴于钌是这种反应的更好的热催化剂，这并不奇怪。在充足照明下，铜-铁显示出与铜-钌相似的效率和反应能力，并与之相媲美。"

Syzygy公司已经许可了莱斯大学的天线反应器技术，这项研究包括在该公司的商用LED驱动的反应器中对催化剂进行放大测试。在莱斯大学的实验室测试中，铜-铁催化剂被激光照射。Syzygy公司的测试表明，在LED照明下，催化剂保持了其效率，而且规模比实验室设置大500倍。

这表明用LED的光催化作用可以从氨气中产生克级数量的氢气。为在等离子体光催化中完全取代贵金属打开了大门。

"鉴于它们在大幅减少化工行业碳排放方面的潜力，质子天线-反应器光催化剂值得进一步研究，"卡特补充说。"这些结果是一个很大的推动力。他们表明，其他丰富的金属组合有可能被用作广泛的化学反应的成本效益催化剂"。