Science：三元NiMo-Bi液體合金催化劑，用于高效從甲烷熱解中產生氫氣

一、 【導讀】?

氫氣（H₂）被視為全球清潔能源解決方案，其2020年產量達數百萬噸，主要源于化石燃料如天然氣、石油和煤炭。然而，其中大部分H₂產生（90%）來自化石燃料轉化，導致巨大的CO₂排放（約9億噸）。水電解是一種綠色H₂技術，利用可再生能源制造無CO₂排放的氫氣。然而，由于高成本（每千克H₂約5至6美元）和高能耗（每摩爾H₂ 286千焦耳），水電解目前僅貢獻了2%的H₂產量。甲烷（CH₄）熱解是另一種無CO₂排放的H₂生產方法，不僅產生氫氣，還能生成有價值的碳材料如石墨烯、碳納米管和富勒烯。

盡管甲烷熱解反應僅需37.5千焦耳能量生成一個摩爾氫氣，但仍需要高反應溫度（>1000°C）以激活CH₄，導致高能耗、昂貴設備和不可避免的熱損失。適中的反應溫度有助于減少副產物生成（如乙烷、乙烯、乙炔、芳香烴），減少H₂分離和純化操作。因此，開發具有高催化活性的最佳催化劑至關重要，這些催化劑能在適中操作溫度下展現出出色的抗污染和降解能力。

二、【成果掠影】

臺灣同步輻射研究中心Jeng-Lung Chen聯合美國勞倫斯伯克利國家實驗室Gabor A. Somorja和Ji Su等人通過向Ni-Bi液體合金中引入Mo，創造出一種新型三元NiMo-Bi液體合金催化劑，實現了在較低活化能下，在450至800℃范圍內高效進行甲烷熱解反應，并表現出出色的氫氣選擇性和穩定性。相關成果以“Ternary NiMo-Bi liquid alloy catalyst for efficient hydrogen production from methane pyrolysis”問題發表在Science上。

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?三、【核心創新點】

本研究通過Mo改性的Ni-Bi液體合金，創造出具有低活化能、高效甲烷熱解能力和優異穩定性的三元NiMo-Bi液體合金催化劑。

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?四、【數據概覽】

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圖1. 甲烷熱解產氫過程示意圖。 ? 2023 AAAS

圖2. 催化數據。 ? 2023 AAAS

圖3. Ni-Bi和NiMo-Bi液體合金催化劑中Ni物種的說明。 ? 2023 AAAS

圖4. 分子動力學模擬。? 2023 AAAS

五、【成果啟示】

總言之，本研究開發了一種NiMo-Bi液體合金催化劑，能夠在溫和溫度下同時實現甲烷熱解的高效率、選擇性和耐久性。值得注意的是，NiMo-Bi液體合金催化劑在其他天然氣成分（如乙烷和丙烷）的熱解中也表現出很高的活性。這表明這種液體金屬合金催化劑也可以在從生物質和塑料等其他來源生產氫氣方面得到進一步應用。此外，還在開發更高效的可溶性多元素液體合金催化劑，其組成不同，可能突破當前的反應限制，改變催化領域的未來。

原文詳情：Chen, L., Song, Z., Zhang, S., Chang, C.-K., Chuang, Y.-C., Peng, X., et al. (2023). Ternary NiMo-Bi liquid alloy catalyst for efficient hydrogen production from methane pyrolysis. Science 381(6660), 857-861. doi: 10.1126/science.adh8872.