氨（NH3）作为一种易于储存和运输的液体3）是一种有吸引力的氢载体，用于燃料电池、半导体制造、化学加工和其他应用。然而，将氨分解成氢气和氮气通常需要高温，并且所得气体混合物必须经过进一步纯化，然后氢气才能用于许多应用。
麻省理工学院的研究人员现已开发出一种电化学方法，可以促进氨中氢气的释放，同时分离和浓缩高纯度流中的氢气。他们的策略是利用电力来加速提取，降低从氨和其他氢载体中回收氢所需的温度和能量。
在一项新的研究中，研究人员表明他们的方法可以产生纯净且高度浓缩的氢气流。
唐纳科学教授兼化学与化学工程教授 Yogesh Surendranath 表示：“我们已经展示了利用电化学来热力学向上驱动和动力学上困难的脱氢反应的能力。” “在这种情况下，我们研究了氨和液体有机分子的转化，因为它们作为氢经济中可能的氢载体的重要性。但我们在这里学到的概念原则上可以进一步转化，我们正在积极努力将其转化为其他重要的脱氢反应。”
Surendranath 是该研究的通讯作者，该研究今天发表在《自然》杂志上。麻省理工学院博士后曾锐（Rui Zeng）是该论文的第一作者，现任中国深圳哈尔滨工业大学材料科学与工程系教授。
氢气提取
氢广泛用于半导体制造和化学加工，也是燃料电池中的能量载体，燃料电池利用氢和氧无需燃烧即可发电。然而，扩大其用途将需要实用的方法来存储和分发它。
如果不压缩或液化，氢气本身很难有效运输。另一种方法是以化学方式将氢储存在液态或易于液化的化合物中，然后在需要的地方和时间释放它。
氨是一种很有前途的氢载体，因为它已经被生产并长距离运输，但从氨中回收氢仍然是一个挑战。这个过程被称为“裂解”，需要 500 摄氏度以上的温度才能实现高反应和转化率。然后必须将氢气与未反应的氮气和氨分离。
Surendranath 说：“我们想问是否可以使用电输入来驱动原本不利的脱氢反应，同时以将氢气与氢载体分离的方式进行，从而使其非常纯净，可以直接用于燃料电池或需要高纯度氢气流的其他应用。”
研究人员新设计的关键要素是通过熔融氢氧化物电解质将钯基分离膜与产氢电极耦合。分离膜选择性地输送氢气，同时阻止反应混合物的其他组分通过。
使用新装置，氨首先通过含有钌和铯的催化剂脱氢。然后氢气到达分离膜，分离膜的另一侧与熔融氢氧化物电解质接触。
跨膜的电化学梯度有效地为氢创造了“真空”，为其跨膜传输提供了强大的驱动力。它还将氢转化为质子和电子，质子和电子分别穿过熔融电解质和外部电路，然后在第二个电极处重新组合形成氢气。
由于膜选择性地传输氢气，因此系统无需单独的下游纯化过程即可产生浓缩的氢气流。
Surendranath 说：“利用这种电化学过程，我们能够将氢气从低浓度主动泵送到高浓度。”
连续提取氢气也可以帮助驱动脱氢反应，特别是当氢气的存在抑制反应时。因此，该策略的作用不仅仅是分离产物：它改变了反应环境并允许在更温和的条件下回收氢气。
因此，该过程可以在 200 或 300 摄氏度左右的温度下进行，远低于传统氨裂化所需的温度。另一个优点是它产生了纯净的氢气流，不需要稍后进行纯化，这一步骤需要额外的能量。
不列颠哥伦比亚大学化学和化学与生物工程教授柯蒂斯·柏林盖特（Curtis Berlinguette）将该方法描述为“一种强大的新方法”，可以解决从氨和其他氢载体中获取纯氢流的问题。
一位未参与柏林研究的人士表示：“通过利用电力在释放氢气时使氢气穿过膜，它们加速了氨和液态有机氢载体的脱氢，同时产生纯化氢气流。这是能源科学的一项重要进步，因为它开辟了一种可靠的方式，可以在稳定的化学载体中运输氢气，并在需要的地方和时间释放它。”
加强交通运输
在这项研究中，研究人员表明，这种方法不仅可以用于氨脱氢，还可以用于甲基环己烷的脱氢。该分子属于液态有机氢载体（LOHC），也具有作为能量载体的潜力。
研究人员预测，他们的新策略可能对交通应用有用，例如为汽车、公共汽车或船舶提供动力，或者用于制造半导体或电子产品。纯氢气用于半导体制造的各个阶段，在提高制造产量和减少表面缺陷方面发挥着重要作用。
由于钯是一种昂贵的金属，研究人员现在正在研究减少分离膜所需钯量的方法。他们还致力于扩大该工艺并将其应用于其他可能具有工业用途的脱氢反应。
该研究由美国国家科学基金会资助。