先进钴基催化剂可提升氢燃料电池汽车效率并降低成本

用于NH₃分解反应的SMSI核壳结构催化剂组成优化：

a）透射电子显微镜下的Co@BaAl₂O₄₋ₓ异质结构；

b–c）平均Co颗粒尺寸为14.2±2.7 nm、壳层厚度为3.0±0.1 nm的核壳结构；

d）Co@BaAl₂O₄₋ₓ与Co/BaAl₂O₄₋ₓ在不同空速（WHSV）下的NH₃转化率及对应的H₂产率；

e）反应后Co/BaAl₂O₄₋ₓ的扫描透射电子显微镜图及电子能量损失谱（EELS）元素分布图，显示在核壳界面处氮物种的富集。

**图片来源：**2025年香港理工大学科研与创新办公室，版权所有。

随着可再生能源与电动汽车的兴起，氢能汽车正受到越来越多的关注。香港理工大学应用物理学系助理教授李孟蓉（Molly Mengjung Li）教授致力于以氨作为氢载体的研究，近期成功开发出一种高效、低成本的催化剂，为氢能汽车的实际应用提供了新的技术突破。

全球能源向可持续方向转型，使氢能汽车成为清洁交通的前沿方案。各国政府与产业界正积极推动交通脱碳化，而氢燃料电池汽车凭借高能效与零排放特征正获得广泛认可。然而，氢能汽车的普及不仅取决于燃料电池本身的技术进步，还依赖于氢气的安全、高效与经济的储存及释放方式。

李教授团队正探索以氨（NH₃）作为氢燃料载体的可能性，并研究氢能储存体系的稳定性，以推动氢能汽车的推广应用。相关研究成果发表于《Advanced Materials》（《先进材料》）期刊，提出了一种高效、低成本的催化剂，用于促进氢气生成反应。

氢气（H₂）在燃料电池中与氧气（O₂）反应生成电能，仅产生水（H₂O）作为副产物。这一反应为化石燃料燃烧提供了清洁替代方案，兼具环境与运行优势。然而，氢气体积能量密度低、储运困难，长期以来一直是限制其大规模应用的关键障碍。

在众多解决策略中，化学载体如氨（NH₃）被视为极具前景的选择。NH₃具有成熟的生产与分配体系、较高的氢密度，并可在无碳氧化物排放的条件下释放氢气。因此，NH₃裂解生成N₂和H₂的反应成为燃料电池汽车车载制氢的关键环节。

尽管如此，NH₃裂解技术的实际应用仍受制于对钌（Ru）基催化剂的依赖。Ru催化剂在低温NH₃分解中表现优异，但其稀缺性与高成本限制了大规模应用。这促使全球科研界致力于开发基于地壳丰富、非贵金属的新型替代催化剂。

Co@BaAl₂O₄₋ₓ催化剂的优异性能关键在于核壳界面处晶格应变的动态演化。 同步辐射X射线衍射与电子显微分析显示，钴晶格在界面处发生膨胀，对应约+3.2%的拉伸应变。该应变调控了钴的电子结构——X射线吸收与光电子谱证实其价态升高，d带中心正向偏移。密度泛函理论计算进一步验证，应变作用使钴表面d带中心上移，增强其对NH₃的吸附亲和力，并加速关键的N–H键断裂步骤。
**图片来源：**2025年香港理工大学科研与创新办公室，版权所有。

钴（Co）因其合适的氮结合能和较低的中毒敏感性，成为极具潜力的候选金属。然而，传统Co基催化剂通常需在高温（>600 °C）下才能获得理想氢产率，这在强调能效与紧凑反应器设计的车载应用中并不现实。

为解决这一问题，近年来研究者聚焦于通过催化剂设计提升低温活性，其中“晶格应变调控”成为关键策略。该方法通过在催化剂与载体界面引入应变效应来改变活性位的电子结构，从而优化反应物的吸附与转化。李教授团队借鉴这一思路，设计出一类新型核壳结构催化剂，代表性体系即为Co@BaAl₂O₄₋ₓ异质结构。

性能测试结果表明，Co@BaAl₂O₄₋ₓ在中温下表现出优异的NH₃分解活性。在高空速条件下，其氢气生成速率可达64.6 mmol H₂ gcat⁻¹ min⁻¹，并在475–575 °C范围内保持几乎完全的NH₃转化。这一性能可与多种Ru基催化剂相媲美，甚至有所超越，同时大幅降低了成本与供应风险。

先进的表征手段（包括同步辐射X射线吸收谱与电子显微分析）证实该催化剂具有明确的核壳结构，并在反应后界面处富集氮物种，进一步说明异质结构在促进反应中的关键作用。

为进一步验证核壳结构的优势，研究团队还与传统负载型催化剂Co/BaAl₂O₄₋ₓ进行了对比。两者具有相似的钴纳米粒径，以确保对比公平。结果表明：虽然两种催化剂的NH₃转化率均随温度升高而增加，但核壳型Co@BaAl₂O₄₋ₓ的起始反应温度明显更低（200 °C对比250 °C），并在500 °C时实现近乎完全转化，而传统负载型催化剂则需更高温度。此外，核壳结构在高流速下表现出更优稳定性，而传统催化剂性能急剧下降。

Co@BaAl₂O₄₋ₓ核壳催化剂的开发标志着在车载氨裂解制氢领域向高效、无Ru催化剂迈出了重要一步。通过利用晶格应变工程与金属–载体强相互作用，该体系在低温下实现了此前仅贵金属才能达到的活性与稳定性。

本研究的机理性发现不仅为清洁能源催化剂的设计提供了新思路，也凸显了界面工程在多相催化中的变革潜力。随着氢能经济的持续发展，这类创新技术将在实现氢能交通可持续化方面发挥关键作用。

更多信息：
Pei Xiong 等，《Efficient Low‐temperature Ammonia Cracking Enabled by Strained Heterostructure Interfaces on Ru‐free Catalyst》，Advanced Materials（2025）。DOI: 10.1002/adma.202502034

来源：《先进钴基催化剂可提升氢燃料电池汽车效率并降低成本》。

翻译人：沈亚皓

来源：https://fuelcellsworks.com/2025/10/10/h2/advanced-cobalt-based-catalysts-can-boost-efficiency-in-hydrogen-fuel-cell-vehicles-and-cut-costs