低成本高效的CeO₂/γ-Al₂O₃催化剂，用于氨的热催化分解以生产氢气

时间：2026年2月7日

来源：International Journal of Hydrogen Energy

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氨分解催化剂设计及其性能优化研究，采用溶胶热法合成Ru(x)CeO2(y)/γ-Al2O3系列催化剂，通过调控Ru和CeO2负载量及煅烧温度，优化400°C下氨分解性能。最佳Ru(1)Ce(10)/γ-Al2O3催化剂在500°C煅烧后实现87%氨转化率，TOF达54.98 s⁻¹，GHSV为3000 mL·g⁻¹·h⁻¹。微观结构分析表明γ-Al2O3的高比表面积与CeO2的Ce4+/Ce3+红氧活性协同提升催化性能。

阿坎克莎·帕特尔（Akanksha Patel）| M.S. 巴拉塔尼盖马尼（M.S. Balathanigaimani）| 阿尔文德·辛格（Arvind Singh）

化学与生物化学工程系，拉吉夫·甘地石油技术学院（Rajiv Gandhi Institute of Petroleum Technology），贾伊斯校区（Jais Campus），阿梅蒂（Amethi），229304，印度

摘要

氨（NH₃）作为一种有前景的氢载体，具有较高的氢含量（17.8 wt%）、完善的基础设施以及无二氧化碳（CO₂）的分解产物。基于这一观点，通过溶剂热法合成了低含量贵金属Ru(x)CeO₂(y)/γ-Al₂O₃催化剂（其中x = 0.1、0.5和1 wt%，y = 1、5和10 wt%），并在400°C的固定床反应器中对其热催化NH₃分解制氢性能进行了评估。研究了部分替代贵金属Ru的铈（Ce）负载量对催化剂性能的影响。以400°C为所需反应温度，还探讨了更高的煅烧温度。在制备的样品中，Ru(1)CeO₂(10)/γ-Al₂O₃在500°C下煅烧后表现出最佳性能，在400°C时实现了87%的NH₃转化率，气体空速（GHSV）达到3000 mL·g_cat⁻¹·h⁻¹，转化速率（hydrogen generation rate）为291.29 mmol H₂/min·g_Ru⁻¹，周转频率（TOF）为54.98 s^{−1₂O₃提供了较大的比表面积，CeO₂赋予了氧化还原活性（Ce⁴⁺/Ce³⁺耦合），而Ru则提供了N–H键断裂的活性位点。XRD、FESEM-EDX、HRTEM和XPS分析显示Ru颗粒高度分散，Ce⁴⁺的富集增强了氧的迁移能力，从而促进了NH₃的活化。BET分析证实了该催化剂具有介孔结构，为反应提供了丰富的活性位点。总体而言，本研究展示了Ru、CeO₂和γ-Al₂O₃之间的互补作用，实现了高效且可持续的氢生产，为低成本、中等温度下的NH₃分解制氢提供了可行途径。}

引言

氢能被广泛认为是化石燃料的清洁、丰富且可持续的替代品[1,2]。氢具有最高的重力能量密度（>120 MJ kg⁻¹），在发电、运输和工业应用方面具有巨大潜力[3,4]，其唯一的副产品是水，因此对环境友好[5]。然而，存储和运输方面的困难限制了其大规模应用[6]。此外，氢的点火阈值低、体积密度小以及宽范围的易燃性（在空气中的浓度为4–75 vol%）也给其安全处理带来了挑战[4,7]。

已报道了多种传统的氢存储方法，如压缩氢、低温液态氢、金属氢化物、液态有机物和无机载体[8]。虽然金属氢化物具有较高的体积密度，但其重力氢容量有限[9, [10], [11]]。相比之下，氨（NH₃）作为一种有前景的氢载体，具有较高的氢含量（17.8 wt%）、优异的体积密度（约121 kg H₂·m⁻³）和合理的可运输能量密度（在-33°C和1 atm下为682 kg⁻³ [12,13]）。重要的是，全球已建立了完善的氨生产、存储和运输基础设施，使其成为经济上可行的氢载体选择[14]。

从氨中高效生产氢需要活性高且稳定的催化剂来实现其分解（裂解）。文献表明，贵金属Ru、Pt以及非贵金属Ni和Fe在氨裂解方面表现出较高的活性[15], [16], [17]]。通过使用热稳定和化学惰性的载体（如γ-Al₂O₃、MgO、CaO、SiO₂、TiO₂、CeO₂或ZrO₂），进一步提高了催化剂的性能[17,18]。

尽管基于Ru的催化剂在中等温度下被公认为最有效的氨分解催化剂[19]，但由于这种贵金属的成本较高且供应有限，其大规模应用受到限制[20]。因此，如何在保持高活性的同时降低Ru的负载量对于经济可行性至关重要。一种有前景的方法是将Ru与其他合适的催化剂和载体结合使用，以增强金属分散性、创造额外的活性位点并促进协同的氧化还原反应。这些材料还应稳定活性相，并在吸附、键活化及产物脱附过程中发挥关键作用，从而减少对高成本Ru的依赖[21,22]。

在本研究中，选择γ-Al₂O₃作为主要载体，因其具有较大的比表面积和酸性，有利于氨的吸附并确保催化剂稳定性[23]。氧化铈（CeO₂，也称为铈土）因其出色的热稳定性、高氧存储能力和可逆的Ce⁴⁺/Ce³⁺氧化还原反应而作为活性催化剂和共催化剂引入，这提高了氧物种的迁移能力并促进了N–N键的形成[24], [25], [26]]。此外，加入铈土有助于降低昂贵的贵金属Ru的用量，从而降低催化剂成本。Ru因其在相对较低温度下对N–H键的高活性而受到关注，被用作活性金属相[19]。通过溶剂热法合成了一系列Ru(x)CeO₂(y)/γ-Al₂O₃催化剂，并对其物理化学性质进行了系统研究，并在固定床反应器中评估了其催化NH₃分解制氢的性能。本研究的目的是通过部分替代铈土，开发出一种低成本、高效且耐用的催化剂系统，以实现中等温度下的氨制氢。

催化剂制备

催化剂的制备

为了制备1克催化剂，首先将0.0581毫摩尔六水合硝酸铈和0.0075毫摩尔三氯化钌（ruthenium(III) chloride）溶解在40%的二甲甲酰胺（DMF）溶液中。同时，将预先制备好的γ-Al₂O₃分散在去离子水中，并进行1小时的超声处理以确保均匀分散。随后向前驱体溶液中加入0.984毫摩尔的KOH，进行湿法浸渍，混合物静置1小时后进行下一步处理。

催化活性

系统评估了Ru(x)Ce(y)/γ-Al₂O₃催化剂的性能，包括金属负载量、适用于较高反应温度的煅烧温度以及400°C下NH₃分解过程中的长期稳定性。图3显示了在500°C下煅烧的Ru(0.1)Ce(1)/γ–Al₂O₃、Ru(0.5)Ce(5)/γ–Al₂O₃和Ru(1)Ce(10)/γ–Al₃三种催化剂的NH₃转化率。结果表明

结论

在制备的一系列Ru(x)Ce(y)/γ-Al₂O₃催化剂中，500°C下煅烧的Ru(1)Ce(10)样品表现出最佳的催化性能，在400°C时实现了约87%的NH₃转化率，气体空速为3000 mL·g_cat⁻¹，周转频率为54.98 s⁻¹。相比之下，700°C下的煅烧导致Ru和CeO₂烧结、氧空位减少以及Ce⁴⁺/Ce³⁺氧化还原循环的破坏，从而显著降低了催化活性。

作者贡献声明

阿坎克莎·帕特尔（Akanksha Patel）： 负责撰写初稿、方法论制定和实验研究。 M.S. 巴拉塔尼盖马尼（M.S. Balathanigaimani）： 负责审稿与编辑、监督工作以及概念构思。 阿尔文德·辛格（Arvind Singh）： 负责审稿与编辑、数据验证、监督工作以及概念构思。