揭示MoP/Mo 2N异质结在增强CdS光催化氢生成活性中的作用

《Applied Catalysis A: General》：Unraveling the Role of MoP/Mo 2N Heterojunctions in Enhancing the Photocatalytic Hydrogen Evolution Activity of CdS

氨裂解作为分布式碳净零氢气生产的有效途径，其催化剂开发需平衡活性、成本与热稳定性。本文系统对比了Ni基（传统工业基准）与Ru基催化剂的性能差异，重点分析了Ru基催化剂（如2.8%Ru9.6%K/CaO、2.5%Ru/TiO?）在低温高效分解氨的优势，以及其高成本（约170美元/千克）对经济性的制约。通过 techno-economic评估发现，Ni/Al?O?基准催化剂单位氢气成本为5.19美元/kg，而Ru/MgAl?O?催化剂若寿命提升至Ni的1.8倍（0.78%Ru负载），其成本可降至106美元/kg，具备经济可行性。研究揭示了支持材料（如Ce改性Al?O?、MgAl?O?）对活性金属分散及反应动力学的影响机制，提出通过金属掺杂、纳米结构调控及再生策略优化催化剂设计。最终建议优先发展Ru/MgAl?O?体系，同时探索非贵金属替代方案。

　　氨裂解技术作为一种可持续的氢能生产方法，近年来受到广泛关注。特别是在离网或分布式能源系统中，该技术为按需生产无碳氢气提供了潜在的解决方案。然而，实现其广泛应用不仅需要高效催化剂，还需在经济性和热效率之间找到平衡。本文探讨了目前最先进的氨裂解催化剂，特别是基于镍（Ni）和钌（Ru）的催化剂，分析了它们在技术性能和经济性方面的优劣，并评估了不同Ru基催化剂在裂解炉中的表现。

### 氨裂解催化剂概述

氨裂解反应在高温下具有热力学优势，但在没有催化剂的情况下，其反应速率较低。因此，催化剂在提升裂解反应效率方面起着关键作用。目前，基于镍的催化剂是氨裂解技术中应用最广泛的一类，其成本较低且催化性能优异，仅次于Ru基催化剂。然而，Ni基催化剂通常需要较高的反应温度才能达到与Ru基催化剂相当的转化率。这主要是由于Ni对氮气脱附步骤的内在活性较低，而这一步骤常被视为反应的限速步骤。

为了提升Ni基催化剂的性能，研究人员采用了多种策略。其中包括改进催化剂载体材料，通过选择具有酸碱特性的载体来优化Ni的分散性和稳定性。此外，引入碱金属和碱土金属作为促进剂，如钾（K）、铯（Cs）和锶（Sr），可以增强Ni的催化活性。这些元素能够向Ni表面提供电子，从而促进氮气脱附。此外，通过形成双金属或合金结构，可以改善催化剂的活性、选择性和热稳定性。这些结构能够改变Ni的电子结构，提高其抗烧结能力，从而延长催化剂的使用寿命。

### Ru基催化剂的性能与挑战

Ru基催化剂因其优异的催化活性而被认为是氨裂解的黄金标准。其在低温下的高活性使得其在分布式氢气生产系统中具有优势。然而，Ru是一种稀有金属，通常存在于铂矿中，并作为镍和铂精炼的副产品回收。由于供应有限，Ru的高成本限制了其大规模应用。因此，研究人员正在探索多种方法来降低Ru的使用量，包括优化载体-金属相互作用、开发低Ru或无Ru的替代催化剂，以及研究催化剂的再生策略以延长其使用寿命。

实验研究表明，Ru基催化剂的表观活化能通常较低，这表明它们在相同温度下具有更高的反应速率。然而，这种高活性往往伴随着更高的成本。例如，Ru基催化剂的表观活化能范围从65到200 kJ/mol，其中以氧化镁（MgO）载体的催化剂表现出最高的表观活化能。这表明催化剂的性能与其载体材料密切相关。对于Ru基催化剂，研究发现其在某些条件下，如较高的氢气压力下，氮气的再结合和脱附成为反应的限速步骤，而Ni基催化剂的限速步骤可能在不同条件下发生变化。

### 催化剂的经济性分析

在评估催化剂的经济性时，需要考虑其成本、寿命和热效率。本文对几种Ru基催化剂进行了初步的经济性分析，并与Ni基催化剂进行了比较。结果显示，Ru基催化剂的单位成本远高于Ni基催化剂，这使得它们在大规模应用中面临挑战。然而，在某些情况下，Ru基催化剂的高活性可以显著降低热负荷，从而在整体上提高经济性。

通过计算催化剂的总成本（包括采购、制造、运输和回收），研究人员发现，Ru基催化剂的总成本比Ni基催化剂高得多。因此，为了使Ru基催化剂在经济上可行，必须显著延长其使用寿命，或提高其转化率。例如，Ru/CaO催化剂的寿命需要延长3.4倍才能与Ni基催化剂相比。相比之下，MgAl?O?载体的Ru基催化剂由于Ru含量较低，表现出更优的经济性。

### 技术性能评估

在技术性能方面，Ru基催化剂在低温下表现出更高的活性。然而，其在高温下的表现可能不如Ni基催化剂。此外，Ru基催化剂的热效率较高，能够降低裂解反应所需的热负荷。这使得它们在分布式氢气生产系统中更具吸引力，尤其是在需要高纯度氢气的移动应用中。

通过模拟裂解炉的运行情况，研究人员发现，不同Ru基催化剂在反应温度和转化率方面表现出不同的性能。例如，Ru/MgAl?O?催化剂在反应温度较低的情况下仍能保持较高的转化率，而Ru/TiO?催化剂则表现出更优的热效率。这些结果表明，催化剂的设计和选择对裂解反应的性能具有重要影响。

### 未来发展方向

为了进一步提高氨裂解技术的经济性和技术性能，未来的研究应集中在以下几个方面。首先，开发低Ru或无Ru的催化剂，以减少对稀有金属的依赖。其次，优化催化剂的载体材料，以提高其活性和稳定性。此外，研究催化剂的再生策略，以延长其使用寿命。最后，探索新的促进剂和结构设计，以改善催化剂的性能。

总之，氨裂解技术为可持续氢能生产提供了重要的途径。然而，其广泛应用需要在催化剂的活性、成本和热效率之间找到平衡。通过优化催化剂设计和选择，可以提高该技术的经济性和可行性，从而推动其在分布式氢气生产中的应用。