化學領域的一個根本性突破有望將氨作為一種清潔燃料釋放出來，而且它可以在這個過程中幫助整個化學工業去碳化。萊斯大學的研究人員已經創建了一個小型的、以LED為動力的設備，可以在實時把氨轉化為氫。它使用一種光驅動的催化劑，其效率不亞於昂貴的熱催化劑，後者需要上千度的溫度才能運作，而且它是由廉價、儲量豐富的銅和鐵製成。而且這只是一個技術的開始，它可以從根本上減少工業化學的成本和能源使用。

氫氣是一種非常有前途的清潔燃料，可以燃燒，或通過燃料電池直接轉化為電能。然而，它既昂貴又難以處理，因為它是一種超輕的氣體，需要壓縮到700個大氣壓，或者在絕對零度以內低溫冷卻以達到其液體狀態。

氨是著名的比氫氣本身更好的氫氣載體；它的每個氮原子都與三個氫原子結合，雖然它具有腐蝕性，在高濃度下極其危險，但它在大氣溫度和壓力下又是一種穩定的液體，它在許多行業的廣泛使用意味著人們在各種條件下有大量的安全處理經驗。

如前所述，氨攜帶氫氣的能力非常強，但如果你想使用這些氫氣，則需要”破解”它，把氫氣弄出來，再把無害的氮氣釋放回大氣中。這有兩個主要難點：首先，裂解反應是需要耗費能源的，所以大多數氨裂解是在大型設施中進行的，操作溫度至少為650-1000℃（1200-1800°F）。其次，裂解操作所需的熱催化劑通常是鉑族金屬，如釕–相對稀有和昂貴。

隨著綠色氫氣運動作為向清潔能源過渡的一個關鍵支柱而不斷升溫，你可以看到為什麼萊斯大學的團隊對發現一種緊湊和高效的方式來催化室溫下的這種裂解反應感到興奮，因為它只使用銅和鐵。

該團隊的”天線-反應器”光催化劑通過嵌入”反應器”催化劑中的小型”天線”粒子收集光線，從而為其提供催化各種化學反應所需的能量

這個團隊花費了30多年開發了其”天線-反應器”質子光催化劑。這些是催化劑的納米顆粒，點綴著小塊的”天線”材料，旨在增加催化劑吸收光線的能力。經過適當的調整，這些反應粒子從環境光中吸收能量–無論是太陽光，還是來自低能量LED的光–並踢出短命的”熱電子”，其能量足以啟動有效的化學反應，即使在環境溫度下也是如此。

天線-反應器光催化劑可以被設計用於各種反應。例如，我們幾週前寫過的光能硫化氫轉化為氫氣的催化劑，其背後是同一個團隊，基本上也是同一個基本想法。那個催化劑使用二氧化矽作為”反應器”，用微小的金顆粒作為”天線”從光中吸收能量。

這種氨裂解光催化劑使用鐵作為其反應器，銅作為其光收集天線–這兩種金屬都很便宜和豐富，與今天使用的典型銅釕熱催化劑不同。據萊斯大學校友和研究報告的共同作者Hossein Robatjazi稱，在實驗室測試中，”在照明下，銅-鐵顯示出與銅-釕相似的效率和反應性，並可與之相媲美”。

在最初的實驗室測試中使用的小型激光動力電池（左）與Syzygy的更大的激光動力測試設備Syzygy Plasmonics的對比

最初的測試是在一個很小的實驗裝置中使用激光器提供的光進行的。但是研究報告的合著者Naomi Halas也是Syzygy Plasmonics公司的聯合創始人，這是一家資金雄厚的公司，旨在將萊斯團隊的工作商業化，Syzygy公司能夠授權這種特殊的催化劑，並建立一個大約500倍大的測試設備，使用高效的LED照明代替激光。催化劑仍然是一樣的高效。

團隊發表的科學文獻中的第一份報告表明用LED的光催化作用可以從氨中生產出克級數量的氫氣。這為在等離子體光催化中完全取代貴金屬打開了大門，這個過程也會在不需要熱量的情況下進行，所以也會節省能源和減少排放。

也許最重要的是，這看起來將帶來一台小型、可靠、輕量級和冷卻的氨裂解裝置，而不是在數百度的高溫下運行。它不需要建造大型設施來運作。Syzygy說，其最初的Rigel光催化反應器產品大約有一台小型洗衣機那麼大，每天處理大約一噸，這取決於它所運行的具體反應。這些反應器可以堆疊起來；如果需要更大的產量，可以同時運行一堆反應器。

Syzygy的Rigel光催化反應器與洗衣機差不多大小（右）

也許可以在一艘電動貨船上安裝一組這樣的反應器，在需要的地方將容易儲存的氨氣轉化為容易使用的氫氣。這本身可能是絕對革命性的，從根本上提高了清潔貨運和客運的範圍。

也許這個概念可能被證明足夠小和輕，與航空業有關，在航空業，儲存在氨中的氫氣的能量密度可以開闢出化石燃料無法達到的航線。也許它最終會小到足以塞進你可以在加油站加滿氨氣的電動汽車。

而這只是這種特殊的光催化劑；萊斯和Syzygy團隊當然不會就此罷休。事實上，該公司的目標是在任何可能的地方讓熱催化劑失去工作。

“鑑於其大幅減少化工行業碳排放的潛力，質子天線-反應器光催化劑值得進一步研究，”另一位合著者Emily Carter補充說。”這些結果是一個很大的動力。他們表明，其他豐富的金屬組合有可能被用作廣泛的化學反應的成本效益催化劑”。

一個早期的鈀/鋁催化劑的細節顯示。彩色的電子光譜圖顯示了”鈀島周圍單個質子模式的空間分佈。這些質子模式負責捕捉光能並將其轉移到催化劑顆粒上。”萊斯大學

“催化是化學工業的基礎，”另一位合著者和Syzygy公司聯合創始人彼得-諾德蘭德（Peter Nordlander）說，”它是所有社會中最耗能的部分之一。這項工作表明，基於LED的化學實際上是可行的，而且是可以大規模進行的。它可以為工業規模的化學和工業上重要的反應做出貢獻。”

Syzygy表示，它已經在現場試驗中得到了這種反應，並預計在2023年將這些光催化氨裂解反應器投入商業使用。

這是一些非常激動人心的技術，在一系列行業中具有巨大的潛力，並為脫碳做出貢獻。