零碳氢基能源（NH3、H2）在汽车、船舶、可再生电力储存及工业应用中展现出巨大的应用前景。然而，绿氢的存储运输困难且成本高，氨具有较高的含氢量（17.8 wt%）以及易于液化的优势，是一种理想的储氢载体，利用氨分解制氢技术实现站内（on-site）制氢，可解决氢气运输和储存难题。在交通运输领域，氨燃料发动机是实现燃料脱碳的重要技术路线，通过氨分解制氢实现氨氢融合燃烧，可解决单一氨燃料的点火和燃烧问题，是氨燃料发动机的关键技术。因此，氨分解制氢技术是零碳氢基能源利用的关键环节。氨分解反应（2NH3(g)N2(g)+3H2(g)）在300℃、1bar条件下，理论平衡转化率可超过95%。但由于反应存在较大的动力学阻力，传统的热催化氨分解过程通常需要400℃以上的高温才能实现80%以上的氨分解转化率。因此，当前迫切需要开发温和条件下高效、低能耗的氨分解制氢新技术。

近日，上海交通大学智慧能源创新学院张毅然等人在能源催化领域取得重要突破。研究团队创新性地利用第三代半导体碳化硅（SiC）的宽禁带特性与优异导热性能，成功构筑了具有高电场传输能力的SiC介导复合催化剂，在国际上首次实现了纯电力驱动、无外热源条件下的高效氨分解制氢。研究结果表明，在约230℃的温和条件下，该催化剂实现了85%的氨分解转化效率，产氢速率高达0.578 mmol gcat.-1 s-1，且能耗仅为传统热催化法的四分之一，展现出显著的能源效率优势。为深入探究反应机制，研究团队综合运用多种先进表征技术（包括扫描/透射电子显微镜、X射线衍射、X射线光电子能谱及原位解吸等）并结合密度泛函理论（DFT）计算，系统揭示了电场驱动下氨分解的反应路径与关键速率控制步骤。研究发现，电场作用下载流子的增强活化显著提高了金属-氮（metal-N）反键轨道电子密度，有效促进了氮的解吸过程，从而改变了氨分解的速率控制机制。更为重要的是，通过开创性的电场原位氨分解表面反应研究，首次揭示了质子（H+）在电场中的跃迁行为可有效缓解低温条件下氢对活性位点的毒害作用，使活性位点在电场环境中得以充分暴露。

这一突破性研究提出的电气化策略成功突破了传统氨分解过程的低温动力学限制，仅需直流电场输入即可实现高效制氢，无需额外热源加热，具有能耗低、响应迅速、结构紧凑等显著优势。该技术不仅能够满足氨-氢转换设备对低成本、便携化、快速制氢的迫切需求，而且便于直接消纳可再生能源电力，在实现绿色氢能生产方面展现出广阔的应用前景。相关工作以“Electrically driven gaseous ammonia decomposition for hydrogen production over SiC-mediated catalyst without external heating”发表在能源催化领域国际知名期刊《ACS Catalysis》上。上海交通大学机械与动力工程学院博士生汪晓超为第一作者，智慧能源创新学院副教授张毅然，机械与动力工程学院林赫教授为共同通讯作者。智慧能源创新学院院长黄震院士和Nicolas ALONSO-VANTE讲席教授对该工作做出了重要指导。该研究得到了国家自然科学基金等项目的资助。

论文链接：https://doi.org/10.1021/acscatal.4c06371

（a）电驱动氨分解制氢策略（b）电驱动氨分解制氢性能