综述：探索碳基材料作为活性金属载体在氨分解中的应用：全面综述

这篇综述系统阐述了碳基材料（如活性炭AC、碳纳米管CNTs、碳纳米纤维CNFs等）作为金属催化剂载体在氨（NH3）分解制氢中的关键作用，重点分析了钌（Ru）、铁（Fe）、钴（Co）等金属与碳载体间的协同机制，揭示了载体结构特性（如石墨化程度、比表面积）对催化活性（TOF）和稳定性（如抗烧结性）的影响，为绿色氢能载体NH3的高效转化提供了材料设计策略。

　　

1 引言

全球能源转型背景下，氨（NH₃）因其高氢含量（17.8 wt.%）和易液化特性成为氢能理想载体。其分解反应（2NH₃ → N₂ + 3H₂）需高效催化剂克服动力学壁垒，而碳基材料凭借高比表面积（如AC达1476 m²/g）、可调电子传导性（如CNTs电导率10⁴ S/cm）和热稳定性（>600°C），成为金属催化剂的理想载体。

1.1 氢：纯净的能量胶囊

NH₃分解制氢需解决传统蒸汽重整法的CO₂排放问题。钌（Ru）基催化剂在400°C即可实现99%转化率，但贵金属成本促使研究者探索非贵金属（如Fe、Co）与碳载体的复合体系。

2 碳基材料

2.1 碳纳米管（CNTs）

Ru/CNTs因电子离域效应展现卓越活性，TOF达0.15 s^-1（450°C）。TEM显示Ru纳米颗粒（~2 nm）嵌入CNT管腔，其石墨化壁面促进电子转移，降低N₂脱附能垒（从2.25 eV降至1.47 eV）。碱金属（如K）修饰可进一步将活化能从78 kJ/mol降至60 kJ/mol。

2.2 碳纳米纤维（CNFs）

鱼骨状堆叠的CNFs暴露出更多边缘位点，使Ru分散度达100%（AC仅49.6%）。NH₃-TPD证明CNFs表面碱性位点加速NH₃活化，在427°C实现66%转化率，较AC载体提升57%。

2.3 活性炭（AC）

磷酸活化AC负载的Co催化剂在600°C转化率达94%。XPS揭示表面羧基（-COOH）锚定金属粒子，但过量氧官能团会导致Co烧结（粒径从3 nm增至15 nm）。氮掺杂AC（N含量4.7 wt.%）通过吡啶氮调控Ru电子态，使TOF提升3倍。

2.5 有序介孔碳（OMC）

CMK-3的3D孔道（孔径6.5 nm）限域Ru颗粒（~2.8 nm），GHSV=30,000 h^-1时转化率达78.9%。原位XRD证实其介孔结构在500°C反应100 h后仍保持完整，优于传统AC的孔坍塌问题。

3 机制与挑战

碳载体通过电子效应（如CNTs的费米能级调控）和几何效应（如OMC的空间限域）协同降低决速步（N-N偶联）能垒。但高温下碳甲烷化（CH₄产率>1 mL/g/min）仍是瓶颈，铯（Cs）添加剂可通过形成Cs-O-C界面抑制该副反应。

4 未来展望

开发氮化碳载体或石墨烯/碳杂化材料有望突破现有活性-稳定性平衡。微波辅助合成（如Fe@rGO在450°C实现100%转化）和单原子催化剂（如Ru₁/N-C）或将成为下一代低温高效催化剂方向。