随着再生能源与电动车的兴起，氢能汽车也逐渐受到关注。香港理工大学应用物理学系助理教授李孟蓉教授，致力于研究以氨作为氢载体，成功开发出高效、低成本的催化剂，推动氢能汽车的应用。
全球转向采用可持续能源，氢能汽车已成为绿化洁净交通的前沿方案。各国政府及行业积极推动低碳出行，氢燃料电池汽车因其高能源效率和零排放等优势，日渐获得大众青睐。然而，氢能汽车能否广泛应用，并非仅取决于燃料电池技术的发展，还需仰赖安全、高效和经济的氢气储存及释放方式。
李教授与研究团队积极探索以氨作为氢燃料载体的可行性，并研究氢能储存的稳定性，以推动氢能汽车的普及化应用。研究介绍了一种高效、低成本的催化剂，可促进制氢反应，相关成果已刊载于《先进材料》（Advanced Materials）期刊。
当氢（H₂）用于燃料电池时，会与氧（O₂）反应而产生电能，过程中仅会释放水（H₂O）为副产物。这项反应提供了一个极具吸引力、可替代燃烧化石燃料的方案，在环境与运作上均具优势。然而，氢的体积密度较低，且在储存与运输方面面临挑战，因此其实际应用长期受阻。
在各种已提出的策略中，以氨（NH₃）等物质作为化学载体，是目最具潜力的解决方案。NH₃拥有完善的生产及输送基础设施，且具有高氢密度，并可在不产生碳氧化物的情况下释放氢。因此，将NH₃ 分解为N₂ 和H₂ ，成为燃料电池氢能供应的关键步骤。
虽然NH₃ 裂解技术颇有前景，但其实际应用仍面临一项重大障碍，就是对钌（Ru）基催化剂的依赖。钌催化剂能够有效分解低温NH₃ ，却因其极为稀有且成本高昂，难以实现大规模应用。全球正积极展开研究，寻找地球储量丰富的非贵金属，作为替代催化剂。
钴（Co）具有良好的氮结合能力，与其他过渡金属相比，其催化剂中毒的敏感性亦较低，因此成为非常吸引的候选材料。可是，传统的钴基催化剂须在高温（>600°C）条件下，才能达到令人满意的氢产率，而出行应用方案重视能源效率与反应器的小型化设计，这使其实用性因而受限。
为解决这些难题，李教授聚焦研究创新的催化剂设计策略，提升钴基体系的低温活性。其中一项方法，是利用催化剂载体接口的晶格应变工程，调节活性位点的电子结构，从而优化其与反应物的相互作用。研究团队借鉴了其他催化体系在应变工程的进展，成功开发出一种新型核壳催化剂，例如Co@BaAl₂O₄₋ₓ的异质结构。
Co@BaAl₂O₄₋ₓ催化剂的性能测试显示，其于中等温度对NH₃分解具有显著活性。在高空速环境下，该催化剂的产氢速率达到64.6 mmol H₂ gcat-1 min-1，并可在475°C至575°C之间维持NH₃近乎完全转化。这些结果足可媲美甚至超越许多钌基催化剂，却没有相应的成本及供应限制。透过同步加速器X光吸收光谱与电子显微镜等先进表征技术，证实了反应后接口会形成明确的核壳结构，及含氮物质的存在，显示出异质结构对促进催化过程的重要作用。
为了进一步阐明核壳设计的优势，研究团队针对没有包覆的传统负载型催化剂Co/BaAl₂O₄₋ₓ进行了比较研究。为确保公平，两种催化剂均采用尺寸相近的钴纳米颗粒制备。
比较结果令人震惊，虽然两种系统的NH₃转化率皆随温度提升而增加，但核壳型Co@BaAl₂O₄₋ₓ催化剂的活性起始温度显然较低（200°C 对 250°C），且能在500°C时实现近乎完全转化，而负载型催化剂则需更高温的反应条件。此外，在高流速条件下，核壳结构展现非常稳定，而负载型催化剂的性能则急剧下降。
研发Co@BaAl₂O₄₋ₓ核壳型催化剂，有望大幅加速实现以高效无Ru催化剂进行氢能汽车氨裂解。透过利用晶格应变工程与强金属载体相互作用，该系统展现出过去仅贵金属才能达成的低温活性及稳定性。
这项研究的机制洞见，不仅为设计新世代洁净能源催化剂提供了宝贵参考，亦凸显出接口工程在非均相催化领域的变革潜力。随着氢能经济持续发展，这类创新将可充分发挥出氢能的潜力，成为未来出行领域中的可持续燃料。
数据源： Innovation Digest
