隨著再生能源與電動車的興起，氫能汽車也逐漸受到關注。香港理工大學應用物理學系助理教授李孟蓉教授，致力於研究以氨作為氫載體，成功開發出高效、低成本的催化劑，推動氫能汽車的應用。
全球轉向採用可持續能源，氫能汽車已成為綠化潔淨交通的前沿方案。各國政府及行業積極推動低碳出行，氫燃料電池汽車因其高能源效率和零排放等優勢，日漸獲得大眾青睞。然而，氫能汽車能否廣泛應用，並非僅取決於燃料電池技術的發展，還需仰賴安全、高效和經濟的氫氣儲存及釋放方式。
李教授與研究團隊積極探索以氨作為氫燃料載體的可行性，並研究氫能儲存的穩定性，以推動氫能汽車的普及化應用。研究介紹了一種高效、低成本的催化劑，可促進製氫反應，相關成果已刊載於《先進材料》（Advanced Materials）期刊。
當氫（H₂）用於燃料電池時，會與氧（O₂）反應而產生電能，過程中僅會釋放水（H₂O）為副產物。這項反應提供了一個極具吸引力、可替代燃燒化石燃料的方案，在環境與運作上均具優勢。然而，氫的體積密度較低，且在儲存與運輸方面面臨挑戰，因此其實際應用長期受阻。
在各種已提出的策略中，以氨（NH₃）等物質作為化學載體，是目最具潛力的解決方案。NH₃擁有完善的生產及輸送基礎設施，且具有高氫密度，並可在不產生碳氧化物的情況下釋放氫。因此，將NH₃ 分解為N₂ 和H₂ ，成為燃料電池氫能供應的關鍵步驟。
雖然NH₃ 裂解技術頗有前景，但其實際應用仍面臨一項重大障礙，就是對釕（Ru）基催化劑的依賴。釕催化劑能夠有效分解低溫NH₃ ，卻因其極為稀有且成本高昂，難以實現大規模應用。全球正積極展開研究，尋找地球儲量豐富的非貴金屬，作為替代催化劑。
鈷（Co）具有良好的氮結合能力，與其他過渡金屬相比，其催化劑中毒的敏感性亦較低，因此成為非常吸引的候選材料。可是，傳統的鈷基催化劑須在高溫（>600°C）條件下，才能達到令人滿意的氫產率，而出行應用方案重視能源效率與反應器的小型化設計，這使其實用性因而受限。
為解決這些難題，李教授聚焦研究創新的催化劑設計策略，提升鈷基體系的低溫活性。其中一項方法，是利用催化劑載體介面的晶格應變工程，調節活性位點的電子結構，從而優化其與反應物的相互作用。研究團隊借鑒了其他催化體系在應變工程的進展，成功開發出一種新型核殼催化劑，例如Co@BaAl₂O₄₋ₓ的異質結構。
Co@BaAl₂O₄₋ₓ催化劑的性能測試顯示，其於中等溫度對NH₃分解具有顯著活性。在高空速環境下，該催化劑的產氫速率達到64.6 mmol H₂ gcat-1 min-1，並可在475°C至575°C之間維持NH₃近乎完全轉化。這些結果足可媲美甚至超越許多釕基催化劑，卻沒有相應的成本及供應限制。透過同步加速器X光吸收光譜與電子顯微鏡等先進表徵技術，證實了反應後介面會形成明確的核殼結構，及含氮物質的存在，顯示出異質結構對促進催化過程的重要作用。
為了進一步闡明核殼設計的優勢，研究團隊針對沒有包覆的傳統負載型催化劑Co/BaAl₂O₄₋ₓ進行了比較研究。為確保公平，兩種催化劑均採用尺寸相近的鈷納米顆粒製備。
比較結果令人震驚，雖然兩種系統的NH₃轉化率皆隨溫度提升而增加，但核殼型Co@BaAl₂O₄₋ₓ催化劑的活性起始溫度顯然較低（200°C 對 250°C），且能在500°C時實現近乎完全轉化，而負載型催化劑則需更高溫的反應條件。此外，在高流速條件下，核殼結構展現非常穩定，而負載型催化劑的性能則急劇下降。
研發Co@BaAl₂O₄₋ₓ核殼型催化劑，有望大幅加速實現以高效無Ru催化劑進行氫能汽車氨裂解。透過利用晶格應變工程與強金屬載體相互作用，該系統展現出過去僅貴金屬才能達成的低溫活性及穩定性。
這項研究的機制洞見，不僅為設計新世代潔淨能源催化劑提供了寶貴參考，亦凸顯出介面工程在非均相催化領域的變革潛力。隨著氫能經濟持續發展，這類創新將可充分發揮出氫能的潛力，成為未來出行領域中的可持續燃料。
資料來源： Innovation Digest
