氢气因其高能量密度和无碳特性而备受关注，被视为绿色可持续未来的能源。尽管氢是宇宙中最丰富的元素，但它大多以结合状态存在，如氨、金属氢化物和其他氢化化合物等化合物。

在所有的氢载体中，氨由于其广泛的可用性、氢含量高(氢占其质量的17.6%)以及易于液化和运输而脱颖而出，成为一种很有希望的候选者。

阻碍其作为按需绿色氢源在实际应用中被利用的一个主要缺点是其分解需要极高的温度(>773K)。燃料电池和内燃机使用的氢气生产需要在低温下具有高氨转化率。

为了解决这一问题，早稻田大学的 Yasushi Sekine 教授及其团队展示了一种可在较低温度下运行的新型紧凑工艺，团队成员包括早稻田大学的 Yukino Ofuchi 和 Sae Doi，以及洋马控股公司的 Kenta Mitarai。他们展示了一种实验装置，通过在高活性且易于生产的 Ru/CeO 2 催化剂存在下施加电场，在极低的温度下实现了氨到氢的高转化率。

该研究于 2024 年 8 月 27 日发表在《化学科学》上。

“这是我们早稻田大学实验室与氨利用领域领先的洋马控股公司之间的合作项目。我们的目标是开发一种工艺，使我们能够利用氨按需生产氢气的能力，”Sekine 说道。

“因此，我们开始研究传统的热催化系统，其中反应通过 N-H 键的解离形成 N 和 H 吸附质，然后吸附质重新结合形成相应的 N2和H2气体。”

研究团队观察到，活性金属 Ru 的速率决定步骤是低温下氮的解吸和高温下 N-H 的解离。为了克服这一问题，他们尝试了电场辅助催化反应。该技术改善了催化剂表面的质子传导，降低了反应所需的活化能和反应温度，从而促进了氨的高效转化。

利用这些信息，该团队设计了一种新型热催化系统，利用易于生产的 Ru/CeO 2催化剂和直流电场，将氨低温分解为氢气。他们发现，他们提出的策略即使在 473 K 以下也能有效分解氨。

如果氨进料和催化剂之间的接触时间足够长，在 398 K 时可实现 100% 的转化率，超过平衡转化率。这归因于电场能够促进表面质子化——在直流电场的帮助下，催化剂表面的质子跳跃。这降低了氨转化反应的表观活化能。

相反，他们观察到，缺乏电场会显著减慢氮解吸过程，导致氨分解反应在一段时间后停止。研究人员进行的实验和密度泛函理论计算进一步支持了表面质子对提高氨转化率的重要性。

这一新策略表明，绿色氢气可以在低温下通过不可逆途径由氨产生，并保证在高反应速率下转化率几乎达到 100%。

Sekine 总结道： “我们相信，我们提出的方法可以比以往更轻松地按需合成不含二氧化碳的氢气，从而加速清洁替代燃料的广泛应用。 ”