综述：非热氨电解制氢研究进展：一篇实用综述

《Sustainable Materials and Technologies》：Exploring hydrogen production over non-thermal ammonia electrolysis: A practical review

本综述系统评述了非热氨电解制氢技术，重点分析了其相较于传统热法在低温制氢方面的优势。文章深入探讨了氨氧化反应（AOR）电催化剂开发、电化学性能及反应机理，并评估了电解质、反应器设计和操作条件对氢气产率和系统效率的影响。通过对当前技术挑战与突破的分析，为未来实现可扩展、高效、可持续的氢能生产指明了关键研究方向。

　　

引言

未来能源正日益倾向于可持续和低碳解决方案。氢（H₂）被视为未来能源格局和经济的基石，但其广泛应用面临脱碳、生产、储存、运输、政策和安全等多方面挑战。氨（NH₃）分解在“未来能源”中具有重要意义，因其在制氢、能源储存、运输和化学合成方面的潜在应用。其体积能量密度（约11.5 MJ/L）远高于氢气（0.0108 MJ/L，1大气压下），且更易于液化和运输，使其成为可持续能源系统的有希望替代品。氨分解可通过热催化或非热（或称“能量”）方法实现。非热氨分解方法，如等离子体、微波、光化学和电解，因其潜在的低能耗、环境效益、操作简单性和安全性而备受关注。

氨分解基础

氨是一种无色气体，可在压力下或低温下液化。其分解为氮气和氢气是一个吸热过程，在25°C时标准焓变（ΔH°）为+92.4 kJ/mol（每产生1摩尔N₂），标准吉布斯自由能变（ΔG°）为+33.3 kJ/mol，表明该反应在标准条件下是非自发的。氨电解作为非热方法之一，利用电能直接分解氨，通常在较低温度下进行，为可持续制氢提供了一条有前景的途径。

氨电解制氢

非热氨电解法相较于传统方法具有显著优势。该方法核心包括电解池（含液氨、电极、电解质）和电催化剂。其优势在于操作条件更温和、生产更清洁、通用性强、可扩展性好、操作危险性更低，并具有现场生产的潜力。该方法利用氨液化、电极制造、电催化剂合成和电解质制备等过程。

热力学和动力学研究

氨分解的热力学研究表明反应需要能量输入。动力学方面，反应速率和效率受到催化剂性能、电解质性质和操作条件（如温度、电压）的显著影响。研究重点在于理解反应机理，特别是氨氧化反应（AOR）的速率决定步骤（RDS），并开发高效稳定的电催化剂以提高整体系统性能。

关键挑战与机遇

氨电解技术面临的主要挑战包括开发高活性、高稳定性且成本低廉的电催化剂（尤其是非贵金属催化剂），优化电解质体系（如碱性、酸性或混合体系），以及设计高效的反应器构型以提高氢产率和能效。同时，将氨电解与太阳能、风能等可再生能源整合是实现其可持续性的关键机遇。未来的研究需要解决这些技术瓶颈，并推动该技术向大规模工业化应用发展。

当前氨电解的创新

近期氨电解技术的创新主要集中在通过新型催化剂和材料提高制氢效率和可持续性。研究人员正在探索非贵金属、双金属合金和异质结构等新型催化材料，以改善其AOR活性和稳定性。此外，在电解质方面，新型混合体系以及等离子体辅助、光电解和膜反应器等新型反应器配置的开发，也为降低过电位、提高反应速率和产物分离效率提供了新的思路。这些创新旨在降低氨电解的成本，同时保持甚至超越传统贵金属催化剂的性能。

结论

氨电解正在成为可持续制氢的主导策略，兼具氢载体和无碳原料的双重角色。本综述重点阐述了在催化剂设计（包括贵金属、非贵金属、双金属和异质结构）、电解质选择（碱性、酸性和新兴混合体系）以及新型反应器配置（包括等离子体辅助、光电解和膜反应器）方面的关键进展。尽管在催化剂稳定性、反应器可扩展性和系统集成方面仍存在挑战，但氨电解在实现高效、低碳氢经济方面展现出巨大潜力。未来的研究应侧重于解决这些技术瓶颈，并探索将氨电解与可再生能源相结合的实际应用路径。