ความก้าวหน้าทางการย่อยสลายแอมโมเนียเพื่อผลิตไฮโดรเจนที่มหาวิทยาลัยฮูนาน: วิศวกรรมสภาวะสปินของตัวเร่งปฏิกิริยาโคบอลต์ช่วยเพิ่มประสิทธิภาพการผลิตไฮโดรเจน

ทีมวิจัยจากมหาวิทยาลัยฮูนานเผยแพร่ผลการศึกษาลงในวารสาร Energy Fuels (DOI: ) โดยเสนอว่า การออกแบบสถานะสปินของตัวเร่งปฏิกิริยาโคบอลต์ สามารถเพิ่มประสิทธิภาพการย่อยแอมโมเนียเพื่อผลิตไฮโดรเจน ซึ่งเป็นการเปิดแนวทางใหม่ในการออกแบบตัวเร่งปฏิกิริยาและยกระดับเทคโนโลยีการแปลงแอมโมเนียเป็นไฮโดรเจน การศึกษานี้ดำเนินการโดย Gong Xingchen (คณะวิศวกรรมเคมีและเคมี มหาวิทยาลัยฮูนาน; ความสนใจวิจัย: การย่อยแอมโมเนียเพื่อผลิตไฮโดรเจน) และคณะ

แนวคิดหลักและความก้าวหน้าหน้าทางเทคนิค

การย่อยแอมโมเนียเป็นเส้นทางสำคัญในการผลิตไฮโดรเจน โดยสมรรถนะของตัวเร่งปฏิกิริยาโลหะทรานซิชันเป็นตัวกำหนดผลผลิตไฮโดรเจนโดยตรง และการปรับสถานะสปินของโลหะได้กลายเป็นปัจจัยชี้ขาดในการออกแบบพฤติกรรมเร่งปฏิกิริยา ก่อนหน้านี้ วิธีการนี้ยังไม่เคยถูกพิสูจน์ในการย่อยแอมโมเนีย งานวิจัยนี้เป็นครั้งแรกที่สามารถปรับสถานะสปินของโคบอลต์ได้อย่างควบคุมได้ระหว่างการย่อยแอมโมเนีย

ทีมวิจัยสังเคราะห์ตัวเร่งปฏิกิริยาาผสม Co/Li₂O–La₂O₃ จำนวนหนึ่งผ่านวิธีโซล-เจลรีดักชันในสถานที่ และศึกษาอย่างเป็นระบบว่าปริมาณแลนทานัม (La) ส่งผลต่อสถานะสปินของโคบอลต์อย่างไร:

การวิเคราะห์โครงสร้างและแม่เหล็กเปิดเผยว่าเมื่อปริมาณ La เพิ่มขึ้น สถานะสปินของโคบอลต์สามารถเปลี่ยนได้อย่างควบคุมจาก "สปินสูง" เป็น "สปินต่ำ"

ในกลุ่มตัวอย่าง ตัวเร่งปฏิกิริยา Co/Li₂O–La₂O₃-2 แสดง "สถานะสปินกลาง" ที่เป็นเอกลักษณ์ ซึ่งเป็นข้อค้นพบหลักที่ได้รับการยืนยันทั้งจากการทดลองและการคำนวณทฤษฎีฟังก์ชันความหนาแน่น (DFT)

จุดเด่นของตัวเร่งปฏิกิริยาสปินกลาง

สถานะสปินกลางของตัวเร่งปฏิกิริยานี้ให้ความสอดคล้องที่เหมาะสมที่สุดกับกระบวนการย่อยแอมโมเนีย แก้ไขข้อจำกัดดั้งเดิมระหว่าง "ความแรงการดูดซับแอมโมเนีย" และ "ความสมดุลของพลังงานกระตุ้นปฏิกิริยา" ได้อย่างมีประสิทธิภาพ:

ความแรงการดูดซับ NH₃ ที่พอเหมาะ: หลีกเลี่ยงการดูดซับที่แรงเกินไปในสถานะสปินสูงซึ่งขัดขวางการแยกตัวของสารกลาง และการดูดซับที่อ่อนเกินไปในสถานะสปินต่ำซึ่งไม่สามารถจับสารตั้งต้นได้อย่างมีประสิทธิภาพ

ความสมดุลของพลังงานกระตุ้น: ปรับปรุงประสิทธิภาพการแยกตัวของ H₂ และอัตราการแยกตัวของ N₂ พร้อมกัน นำไปสู่การเสริมสร้างประสิทธิภาพทั้งสองขั้นตอนสำคัญแบบเกื้อกูลกัน และเพิ่มประสิทธิภาพการแปลงแอมโมเนียเป็นไฮโดรเจนโดยรวมอย่างชัดเจน

คุณค่าและความสำคัญของการวิจัย

ในทางวิชาการ งานวิจัยนี้เป็นครั้งแรกที่ยืนยันประสิทธิภาพของ "การปรับสภาพสปิน" ในการเพิ่มประสิทธิภาพตัวเร่งปฏิกิริยาแยกแอมโมเนีย ซึ่งก้าวออกจากความพึ่งพาการปรับเปลี่ยนองค์ประกอบหรือรูปร่าง และเปิดทางให้เกิดทิศทางการวิจัยใหม่คือ "การควบคุมสถานะอิเล็กทรอนิกส์" ในการเร่งปฏิกิริยาแบบไม่สม่ำเสมอ ทางปฏิบัติแล้ว ตัวเร่งปฏิกิริยาที่ใช้โคบอลต์และได้รับการปรับปรุงผ่านการปรับสภาพสปินคาดว่าจะลดเงื่อนไขการปฏิกิริยา (อุณหภูมิ แรงดัน) และต้นทุนของการแยกแอมโมเนีย ทำให้สนับสนุนเทคโนโลยีสำหรับการใช้งานแอมโมเนียอย่างกว้างขวางในฐานะ "พาหนะไฮโดรเจน" ในระบบผลิตไฮโดรเจนกระจายและระบบเก็บ/ขนส่งไฮโดรเจน