用于从氨（NH3）中释放氢气（H2）的催化剂：从工艺设计角度出发

《Applied Catalysis A: General》：Catalysts for unlocking H 2 production from NH 3: a process design perspective

氨分解作为碳中和背景下氢能生产的关键技术，其催化剂性能与经济性成为研究重点。本文系统分析了Ni基和Ru基催化剂的活性、热力学效率及成本效益，比较了不同支持材料（如Ce改性的Al?O?、MgAl?O?）对催化性能的影响。研究表明，Ru基催化剂在低温下活性显著优于Ni基，但Ru的高成本导致其经济性不足。通过技术经济评估发现，负载0.78%Ru的MgAl?O?催化剂在保持较高氨转化率（90%）的同时，单位催化剂成本（106美元/千克）显著低于Ni/Al?O?基准（170美元/千克），成为最具工业化潜力的候选体系。研究还揭示了反应压力对催化剂性能的显著影响，40 bar操作条件下Ru基催化剂仍能保持高效分解。该成果为分布式氢能系统中催化剂开发提供了关键设计参数。

　　氨气裂解作为一种清洁、灵活的制氢技术，正受到越来越多的关注。特别是在离网或分布式能源系统中，这种技术被视为一种潜在的碳中性氢生产方法。然而，要实现其实际应用，需要催化剂不仅具备高活性，还应具备经济性和热效率。本文探讨了当前和未来可能的催化剂选择，以满足这些要求，并提供技术设计指导，推动氨气裂解技术的规模化应用。

氨气裂解反应在高温下具有良好的热力学特性，但在无催化剂的情况下，其动力学反应速率较低，限制了实际应用的可行性。因此，催化剂在该反应中起着至关重要的作用，它们能够显著提高反应速率，从而在较低温度下实现高转化率。目前，镍基催化剂是工业化应用中最成熟的选择，而钌基催化剂则因其在低温下的高活性被认为是更具潜力的替代方案。然而，由于钌资源稀缺且价格昂贵，其大规模应用面临挑战。

在氨气裂解过程中，催化剂的性能受多种因素影响，包括活性相的种类、负载量、载体材料及其表面特性。例如，镍基催化剂在低温下的活性较低，通常需要较高的反应温度来实现与钌基催化剂相当的转化率。为提高镍基催化剂的性能，研究人员采取了多种策略，如优化载体材料、引入碱金属促进剂、形成双金属体系以及纳米结构设计。这些方法可以增强镍的分散性，改善镍与载体之间的相互作用，从而提升催化效率并延长催化剂寿命。

相比之下，钌基催化剂在低温下的表现更为优异，尤其在氮气脱附和氮氢键断裂方面表现出更高的活性。然而，由于钌的高成本，其在工业中的广泛应用受到限制。为此，研究者探索了多种方法，如使用低钌含量的催化剂、引入碱金属作为促进剂、以及开发可再生的钌基催化剂。这些研究旨在降低钌的使用量，同时保持其高催化活性，从而提高整体经济性。

为了更全面地评估催化剂的性能，本文进行了技术经济分析，比较了不同钌基和镍基催化剂在氨气裂解过程中的表现。分析结果显示，虽然钌基催化剂在氨气转化率方面具有优势，但其成本显著高于镍基催化剂。因此，要使钌基催化剂在实际应用中具有竞争力，需要大幅延长其使用寿命，或者通过其他方式降低其成本。

本文还讨论了催化剂的经济性和技术性能之间的权衡。通过引入一个参数ξ，该参数综合考虑了催化剂的资本支出和运营成本，用于评估不同催化剂在氨气裂解过程中的经济性。结果表明，虽然钌基催化剂在性能上优于镍基催化剂，但其较高的成本限制了其经济可行性。特别是对于小型、分散式氢气生产系统，需要在性能和成本之间找到最佳平衡点。

在技术评估方面，本文模拟了不同催化剂在氨气裂解炉中的表现，考虑了反应温度、压力、催化剂负载量等因素。结果显示，镍基催化剂在较高的反应温度下表现良好，而钌基催化剂则可以在较低温度下实现高转化率。然而，由于钌的高成本，其在经济上可能不如镍基催化剂可行。

综上所述，氨气裂解技术的发展需要在催化剂的活性、稳定性和经济性之间找到平衡。镍基催化剂目前是工业化应用的主流选择，但钌基催化剂在低温下的高活性使其成为未来研究的重点。通过优化催化剂设计，如改进载体材料、引入促进剂和提高催化剂寿命，有望在经济性与性能之间实现更好的平衡，从而推动氨气裂解技术在分布式能源系统中的应用。