近日，我所氢能与先进材料研究部氢化物能源化学研究中心（DNL1901组群）陈萍研究员、郭建平研究员、高文波副研究员团队在氨分解制氢研究中取得新进展，开发了一种由碱金属及其氨基化合物介导的化学链氨分解制氢（CLADH）新工艺。与传统热催化氨分解制氢（TADH）工艺相比，CLADH能够在更低的温度下实现高效氨分解，为温和条件下的制氢提供了全新思路。
氨分解制氢是“氨-氢”能源技术路线的关键环节之一，当前迫切需要开发温和条件下高效的氨分解制氢新工艺。氨分解制氢反应（2NH3(g) ⇆ N2(g) + 3H2(g)）是一个吸热增熵反应，在400℃、1bar条件下，该反应的平衡转化率可超过99%。然而，由于反应存在较大的动力学阻力，传统的TADH过程通常需要在较高的温度才能实现NH3的完全分解。例如， Ru基催化剂温度需要500℃以上，而非贵金属Ni催化剂则需要600℃以上。尽管研究人员一直致力于设计开发新型高效的氨分解催化剂，但目前几乎没有热催化剂能够在较低温条件下（≤ 400℃）实现氨的完全转化。因此，开发温和条件下的高效氨分解催化剂或新工艺是该领域的研究重点。
本工作中，团队基于前期的氢化物介导低温催化合成氨（Nat. Chem.，2017；Nat. Catal.，2021；Nat. Chem.，2024）、亚氨基化物介导热化学链（CLAS）合成氨（Nat. Energy，2018； ACS Energy Lett.，2023）、过渡金属-氨基化合物介导的高效氨分解制氢（Angew. Chem. Int. Ed.，2015）等研究，提出了CLADH新工艺。研究发现，采用NaNH2或KNH2作为载氨体的CLADH过程包括两个步骤：第一步为氨化过程，即金属Na或K分别与NH3反应生成NaNH2或KNH2，可在室温下释放三分之一的H2（A(s) + NH3(g) → ANH2(s) + 1/2 H2(g)）；第二步为分解过程，即NaNH2或KNH2在275℃以上分解为N2和H2，同时再生金属Na或K，完成循环 （ANH2(s) → A(s) + 1/2 N2 (g)+ H2(g)）。在MnN催化剂作用下，KNH2和NaNH2在400℃和425℃时CLADH的转化率分别为99%和98%，接近完全转化。而在相同温度下，MnN-KNH2、MnN-NaNH2在TADH的氨分解转化率仅有7%和13%。此外，CLADH过程的两步反应具有较大的反应焓值，理论上的储热密度约为现有MgH2/Mg和Mg2FeH6/MgFe储热材料体系的1.5倍，在储热研究领域具有应用潜力。本工作开发了一种温和条件下实现高效氨分解的新工艺，并展示了化学链过程在热能存储领域应用的潜力。
相关工作以“Chemical Looping Ammonia Decomposition Mediated by Alkali Metal and Amide Pairs for H2 Production and Thermal Energy Storage”为题，于近日发表在《先进能源材料》（Advanced Energy Materials）上，该工作的第一作者是我所1901组群博士后冯圣。上述工作得到了科技部重点研发计划、国家自然科学基金、中国科学院青促会等项目的支持。（文/图 冯圣、高文波）
文章链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aenm.202401252
