新技术将氨无缝转化为绿色氢

西北大学的研究人员已经开发出一种高效、环保的方法将氨转化为氢气。最近在Joule杂志上发表的一篇文章中概述了这项新技术是朝着实现零污染、氢燃料经济迈出的重要一步。

近年来，使用氨作为氢气输送载体的想法受到关注，因为氨比氢气更容易液化，因此更容易储存和运输。西北大学的技术突破克服了从氨生产清洁氢的几个现有障碍。

“氢燃料电池的祸根是缺乏交付基础设施，”该研究的主要作者 Sossina Haile 说。“运输氢气既困难又昂贵，但已经存在广泛的氨输送系统。有管道。我们在世界各地输送大量氨用于肥料。如果你给我们氨，我们开发的电化学系统可以转换它氨到任何规模的燃料电池就绪，现场清洁氢气。”

Haile 是西北大学麦考密克工程学院材料科学与工程的 Walter P. Murphy 教授，并在应用物理和化学方面有额外的任命。她还是西北大学可持续发展与能源研究所的联合主任。

在这项研究中，Haile 和她的研究团队报告说，他们能够使用可再生电力而不是化石燃料热能来进行氨到氢的转化，因为该过程在比传统方法低得多的温度下运行(250 摄氏度而不是500 到 600 摄氏度)。其次，新技术产生纯氢，不需要与任何未反应的氨或其他产品分离。第三，该过程是有效的，因为提供给设备的所有电流都直接产生氢气，而不会对寄生反应造成任何损失。作为一个额外的优势，由于产生的氢气是纯净的，它可以通过简单地增加电力来直接加压以进行高密度存储。

为了完成这种转换，研究人员建造了一个独特的电化学电池，该电池带有质子传导膜，并将其与氨分解催化剂集成在一起。

“氨首先遇到将其分解为氮气和氢气的催化剂，”海尔说。“氢会立即转化为质子，然后通过电驱动穿过我们电化学电池中的质子传导膜。通过不断提取氢，我们推动反应比其他情况更进一步。这被称为 Le Chatelier's原理。通过去除氨分解反应的一种产物 - 即氢气 - 我们推动反应向前发展，超出了氨分解催化剂单独可以做的事情。

氨分解产生的氢气可用于燃料电池。与电池一样，燃料电池通过转换化学反应产生的能量来产生电能。与电池不同，燃料电池只要有燃料就可以发电，永远不会失去电量。氢是一种清洁燃料，当在燃料电池中消耗时，会产生水作为其唯一的副产品。这与化石燃料形成鲜明对比，化石燃料会产生改变气候的温室气体，例如二氧化碳、甲烷和一氧化二氮。

Haile 预测，新技术可能会在交通运输领域产生特别大的变革。根据环境保护署的数据，2018 年，汽车、卡车、火车、轮船、飞机和其他车辆的人员和货物流动占美国温室气体排放量的 28%——超过任何其他经济部门。

“电池驱动的汽车很棒，但肯定存在续航里程和材料供应的问题，”海尔说。“在现场以分布式方式将氨转化为氢气，您可以开车进入加油站并为您的汽车获取加压氢气。由于电池非常重，航空业对氢燃料电池的兴趣也越来越大。”

多年来，Haile 和她的团队在燃料电池领域取得了重大进展。作为他们工作的下一步，他们正在探索以环保方式生产氨的新方法。