太阳“晒”出氢和氨

编者按 日前，陕西省人民政府印发了《关于2022年度陕西省科学技术奖励的决定》。获奖成果涉及石油和化工行业22项，其中一等奖6项、二等奖8项、三等奖8项，涵盖油气勘探开发、煤化工、精细化工、新材料、资源环境和化工装备等领域。此次获得一等奖的成果既有科学技术进步奖，又包括自然科学奖，是近年来石油和化工行业获奖级别较高的一次。本版今日起对获得陕西省科技奖一等奖的成果进行解读，以飨读者。

太阳“晒”出氢和氨

——记陕西省科技奖自然科学一等奖成果高活性低成本水分解制氢催化剂  　　

　　太阳提供的能源是地球和人类赖以生存的基础，也是取之不尽、用之不竭的可再生能源。将太阳能转化成清洁能源——氢和氨，一直是全人类可持续发展的梦想。然而，当前全球96%的氢来源于化石燃料，制取工艺过程存在碳排放量大、条件苛刻、能耗高等问题。如今，西安交通大学、榆林学院围绕太阳能驱动的光/电催化水分解制氢关键技术展开系统研究，提出了低成本、高活性水分解制氢催化剂的设计策略及其结构调控方法，实现了温和条件下氢的低成本高效绿色制取，将梦想逐渐变为现实，也因此荣获2022年度陕西省科技奖自然科学一等奖。

　　催化理论获高度评价

　　太阳光向清洁化学能转变，催化是关键手段。在催化反应中，催化剂设计则是关键难题。

　　西安交通大学化学工程与技术学院院长杨贵东告诉记者，经过10多年潜心研究，他们在水分解制氢催化剂的结构设计及作用机制研究方面攻克了许多科学难题，取得了突出业绩。例如，他们针对光电催化剂界面载流子极易复合问题，通过构筑同质节、异质结等手段，强化水分解反应过程中光生电荷的定向迁移，有效降低了光生电子和空穴的复合;针对传统催化剂光滑表面难以实现水分子有效吸附的难题，通过构筑催化剂表面缺陷位点，揭示水吸附影响界面反应速率的作用机制，阐明水吸附对产氢活性的关键作用;针对光催化界面反应速率低的问题，开发了精准调控催化剂孔道结构与限域反应空间的新策略，实现了分解水产氢活性的显著提升。同时，针对光催化全解水反应过程中热力学能垒过高和动力学过程复杂的问题，他们通过双助催化剂的功能化表面设计，改变反应路径，降低反应能垒，显著提升了全解水活性。

　　这些创新的学术成果，赢得了国内外专家学者的高度评价。英国皇家工程院外籍院士、新加坡工程院院士、新加坡国立大学副校长Seeram Ramakrishna教授表示，这种高结晶度鱼鳞状氮化碳多孔纳米片非常有利于光吸收以及电荷转移与分离，增强光吸收能力和光催化活性，产氢速率较普通纳米片提升了2.93倍。美国环境保护署(EPA)高级科学家、捷克帕拉茨基大学Rajender S.Varma教授表示，杨贵东团队研发的有序多孔结构催化剂，能有效促进电荷体内到表面的迁移，降低电荷复合率，进而促进氧化还原反应。

　　从绿氢到绿氨的跨越

　　合成氨是揭开现代化学工业序幕的标志性工艺。当前，全世界以哈伯法工艺为主的工业合成氨年产量已达2.5亿吨。这种高温高压的合成工艺能耗较高，每年总耗能约占全球总能源消耗的2%，二氧化碳排放量约占全球总碳排放量的1.6%。

　　太阳能驱动的光/电催化分解制氢，是一种高效、绿色、低碳的颠覆性制氢技术，具有主反应过程零碳、低能耗、常温常压等特点。但氢气存在不易储存、能量密度较低的缺点。这个思路能否用于太阳能光电催化合成能量密度较大、可作为储氢载体的氨，从而将合成氨反应条件从传统哈伯法的高温高压变革为常温常压?杨贵东团队又向这个全球颠覆性制氨技术发起了科学挑战，承担了科技部光电催化领域国家重点研发计划“变革性技术关键科学问题”重点专项项目——低能耗、低碳排放氮气—水光电催化合成氨关键技术。

　　“我们通过聚焦催化作用原理、反应器设计、系统集成等研究，开发了新型铜基合成氨催化剂及其可控宏量制备技术，阐明了光电催化反应条件下N-N键活化和N-H键形成的作用原理，构建并联的光电催化合成氨反应器系统，形成自主知识产权的颠覆性合成氨制备技术。”杨贵东说。该技术将哈伯法的氮气—氢反应体系变为以湿空气为原料的光电催化转化新体系，在太阳光照射条件下一步生产稀氨水，开创了低能耗、低碳排放、短流程的绿色合成氨新途径。

　　据介绍，杨贵东团队创新发明了一套自主知识产权的反应器装备，去年在西安完成反应器部件及聚光部件的集成设计与实验性能测试。试验结果表明，当太阳光照射在反应器阳极时湿空气瞬间发生反应，在常温常压条件下单个反应器氨产量达4~5克/小时。

　　记者了解到，这种变革性的合成氨技术正在迈向工业化。目前，杨贵东团队与国能榆林化工有限公司和华陆工程科技有限责任公司开展合作，进一步研发高效生产技术装备系统，通过工艺整合与设备系统结合，将光电催化合成氨全新生产工艺推向产业化应用。8月下旬，全球首套百吨级光电催化合成氨集成工业示范项目合作协议签约，启动开展工艺包编制及工业示范装置建设，预计明年上半年在陕西榆林建成并试运行。据测算，这种合成氨新工艺吨氨产品耗能(煤、电)几乎为零，水耗仅为0.1吨，投资及成本大幅下降，而且无“三废”排放。