Science：三元NiMo-Bi液体合金催化剂，用于高效从甲烷热解中产生氢气

一、【导读】

氢气（H₂）被视为全球清洁能源解决方案，其2020年产量达数百万吨，主要源于化石燃料如天然气、石油和煤炭。然而，其中大部分H₂产生（90%）来自化石燃料转化，导致巨大的CO₂排放（约9亿吨）。水电解是一种绿色H₂技术，利用可再生能源制造无CO₂排放的氢气。然而，由于高成本（每千克H₂约5至6美元）和高能耗（每摩尔H₂286千焦耳），水电解目前仅贡献了2%的H₂产量。甲烷（CH₄）热解是另一种无CO₂排放的H₂生产方法，不仅产生氢气，还能生成有价值的碳材料如石墨烯、碳纳米管和富勒烯。

尽管甲烷热解反应仅需37.5千焦耳能量生成一个摩尔氢气，但仍需要高反应温度（>1000°C）以激活CH₄，导致高能耗、昂贵设备和不可避免的热损失。适中的反应温度有助于减少副产物生成（如乙烷、乙烯、乙炔、芳香烃），减少H₂分离和纯化操作。因此，开发具有高催化活性的最佳催化剂至关重要，这些催化剂能在适中操作温度下展现出出色的抗污染和降解能力。

二、【成果掠影】

台湾同步辐射研究中心Jeng-Lung Chen联合美国劳伦斯伯克利国家实验室Gabor A. Somorja和Ji Su等人通过向Ni-Bi液体合金中引入Mo，创造出一种新型三元NiMo-Bi液体合金催化剂，实现了在较低活化能下，在450至800℃范围内高效进行甲烷热解反应，并表现出出色的氢气选择性和稳定性。相关成果以“Ternary NiMo-Bi liquid alloy catalyst for efficient hydrogen production from methane pyrolysis”问题发表在Science上。

三、【核心创新点】

本研究通过Mo改性的Ni-Bi液体合金，创造出具有低活化能、高效甲烷热解能力和优异稳定性的三元NiMo-Bi液体合金催化剂。

四、【数据概览】

图1. 甲烷热解产氢过程示意图。 © 2023 AAAS

图2. 催化数据。 © 2023 AAAS

图3. Ni-Bi和NiMo-Bi液体合金催化剂中Ni物种的说明。 © 2023 AAAS

图4. 分子动力学模拟。© 2023 AAAS

五、【成果启示】

总言之，本研究开发了一种NiMo-Bi液体合金催化剂，能够在温和温度下同时实现甲烷热解的高效率、选择性和耐久性。值得注意的是，NiMo-Bi液体合金催化剂在其他天然气成分（如乙烷和丙烷）的热解中也表现出很高的活性。这表明这种液体金属合金催化剂也可以在从生物质和塑料等其他来源生产氢气方面得到进一步应用。此外，还在开发更高效的可溶性多元素液体合金催化剂，其组成不同，可能突破当前的反应限制，改变催化领域的未来。

原文详情：Chen, L., Song, Z., Zhang, S., Chang, C.-K., Chuang, Y.-C., Peng, X., et al. (2023). Ternary NiMo-Bi liquid alloy catalyst for efficient hydrogen production from methane pyrolysis. Science 381(6660), 857-861. doi: 10.1126/science.adh8872.