單原子催化劑的能源之路
微著
催化計
2019-10-30
通訊作者：Ning Yan、Javier Pérez-Ramírez能源不能憑空創造，也不會憑空消滅；能源只能從一種形式，轉化為另一種形式。催化技術通過“鍵的斷裂”和“鍵的形成”來控制能源的轉化過程，從而塑造了能源領域的格局。全球近四分之一的能源消耗與催化過程的使用直接或間接相關，而以傳統納米粒子為基礎的催化劑最近面臨著單原子催化劑的挑戰。 
單原子催化劑中，金屬原子在催化劑表面上最大程度均勻分散，具有無與倫比的電子結構和幾何構型，并且在諸多與能源相關的應用中均表現出優異的催化性能。有鑒于此，新加坡國立大學的Ning Yan和Javier Perez-Ramirez等對非均相單原子催化劑在碳氫化合物、含氧化合物、氫氣燃料、合成氨、精細化學品以及電池等六大能源領域的應用進行了評述，包括最新的應用進展、未來的發展機會以及一些關鍵問題的闡述。
碳氫化合物燃料目前主要來源于化石燃料（煤、石油、天然氣），接下來的數十年里，碳氫燃料都將繼續在交通運輸領域占據主導地位。據美國能源情報部門報告，2017年，全球基礎化石燃料消耗達到514 quadrillion Btu，占全球能源消耗總量的82%。預計到2040年，全球基礎化石燃料消耗將達到739 quadrillion Btu。考慮到化石燃料的不斷減少，以及CO2排放的不斷增加，開發全新的催化體系（從CO2或生物質）以生產碳氫燃料，顯得至關重要。
和傳統的汽油燃料相比，含氧化合物燃料具有更低的毒性、更少的CO2排放以及更高的辛烷值，更加環保和可持續性。舉個例子，在汽油中摻入20%的乙醇，就可以使CO、碳氫化合物和NOX排放分別減少60%，40%和20%。研究表明，汽油中每增加10%的乙醇，可以使辛烷值提高5個單位。據可再生能源協會報道，從2007年到2017年的十年時間，世界乙醇產量翻番，從13123百萬加侖增加到27050百萬加侖。
氫氣被認為是未來最理想的能源之一，其重量能量密度高達122 KJ/g，是碳氫燃料的2.75倍。據權威報告指出，2017年年度全球產氫市場為1032.0億美元，按照年均8.1%的增長速率，2026年全球產氫市場將達到2074.8億美元。到2030年，來自韓國、美國加州、日本和德國的每12輛車中就有1輛可能要采用氫能源。氫元素以H2O、碳氫化合物和生物質的形式廣泛存在于大自然中，然而，要想從這些物質中提取出H，必須采用電、光或熱等額外能源。目前商業化的H2主要來源于蒸汽重整，石油重整，煤氣化和水電解，分別占比為50%，30%，10%，2%。低成本制氫是制約氫氣作為燃料的主要挑戰。除此之外，儲氫所需要的氫氣壓縮占據了整體能量的10-15%。單原子催化劑通過高效利用鈷金屬原子，在制氫領域取得了系列進展。
電池由于其高能量密度和低成本優勢，被認為是最具前景的可持續能源轉化與存儲技術之一。單原子催化劑在ORR中決定速率的反應機理錯綜復雜，至今還存在爭議。單原子催化劑在燃料電池中的超高性能在電池中也可能適用。20世紀以來，利用N2催化加氫制NH3的Haber-Bosch工藝已經成為經典，這是人類歷史上首次實現肥料的大規模生產。100年以來，Haber-Bosch工藝幾乎沒有重大的改進，長期消耗全球能源消耗的1%-2%，成為氣候變化的重要參與者。這主要是因為，N-N三鍵在低溫下活化困難，整個反應動力學緩慢，需要在高溫高壓下進行（400-500℃，150-250 bar）,而且反應物需要多次經過催化劑床層。基于雙金屬的單原子催化劑有望在更低能耗情況下，實現這一過程。而且，這一體系的發展，將進一步增強我們對于反應過程中活性位點的認識。除了熱催化，基于單原子催化劑的電催化和光催化都有望在室溫和正常壓力下實現固氮。由于氫含量為17.8 wt%，NH3也被認為是儲存氫氣的重要媒介。NH3可在10 bar和-33℃被壓縮，而氫氣壓縮需要在-240℃。除此之外，N2在空氣中的體積濃度高達78.1%，而CO2體積濃度只有0.04%，使得含氮的儲氫化合物更具實用性。無論是分解氨制氫用于燃料電池，還是直接利用氨功能燃料電池都是切實可行的。
日用化學品和精細化學品的生產，也和能源緊密相關，廣泛涉及到農藥、醫藥、塑料、染料、顏料、食品添加劑、粘合劑、潤滑劑等等。2010年，美國制造業能耗達到19.24 quadrillion Btu，其中化工生產達到1.15 quadrillion Btu。在高選擇性的條件下實現完全轉化，變得越來越困難，從而增加大量分離和提純等后處理程序，能耗極大。單原子催化劑有望大幅減少能耗，而且有助于提高反應的選擇性。作為均相催化和非均相催化的橋梁，單原子催化劑在實現更高的活性和更高的選擇性方面，表現出驚人的優勢，無論是在釜式反應，還是固定床連續反應器中。
在各個領域，單原子催化劑都表現出比同類納米顆粒催化劑更大的優勢。但是，要想取而代之，也并非一時之功。展望未來，單原子催化劑需要做的事情還很多，任重而道遠！ShipengDing, et al, Transforming Energy withSingle-Atom Catalysts, Joule,2019DOI:10.1016/j.joule.2019.09.015
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