普林斯顿大学和莱斯大学的研究人员将铁、铜和一个简单的LED灯结合起来，展示了一种低成本技术，该技术可能是分配氢气的关键，氢气是一种含有大量能量且无碳污染的燃料。

研究人员通过轻按电灯开关来制造绿色燃料

研究人员通过实验和先进的计算开发了一种使用纳米技术从液氨中分离氢气的技术，这一过程迄今为止一直是昂贵且能源密集型的。

在11月24日在线发表在《科学》杂志上的一篇文章中，研究人员描述了他们如何使用标准LED发出的光来裂解氨，而无需高温或此类化学通常需要的昂贵元素。该技术克服了实现氢作为清洁、低排放燃料的潜力的关键障碍，可以帮助满足能源需求而不会使气候变化恶化。

莱斯大学教授、该研究的主要作者之一内奥米·哈拉斯(NaomiHalas)说：“我们经常听到关于氢气是终极清洁燃料的说法，只要它更便宜、更容易储存和检索使用即可。”“这一结果表明，我们正在朝着这一目标迅速迈进，采用一种新的、简化的方式，使用地球上丰富的材料和固态照明的技术突破，从实用的储氢介质中按需释放氢气。”

氢作为绿色燃料具有许多优势，包括高能量密度和零碳污染。它在工业中也无处不在，例如制造肥料、食品和金属。但是纯氢的压缩运输成本很高，而且难以长期储存。近年来，科学家们一直在寻求使用中间化学品来运输和储存氢气。最有前途的氢载体之一是氨(NH3)，它由三个氢原子和一个氮原子组成。与纯氢气(H2)不同，液氨虽然危险，但已有安全运输和储存系统。

“这一发现为可持续、低成本的氢气铺平了道路，这种氢气可以在本地生产，而不是在大规模的集中式工厂中生产，”另一位主要作者、莱斯大学教授彼得诺德兰德说。

倡导者一直存在的一个问题是，将氨裂解成氢气和氮气通常需要高温来驱动反应。转换系统可能需要400摄氏度(732华氏度)以上的温度。这需要大量能量来转化氨，以及处理操作的特殊设备。

由莱斯大学Halas和Nordlander以及普林斯顿大学GerhardR.Andlinger能源与环境教授和机械与航空航天工程与应用与计算数学教授EmilyCarter领导的研究人员希望改变分解过程，使氨成为更可持续和经济可行的氢燃料载体。正如美国化学学会最近的一篇评论所显示的那样，使用氨作为氢载体已经引起了相当大的研究兴趣，因为它具有推动氢经济的潜力。

工业操作通常使用多种材料作为催化剂在高温下裂解氨，这些材料可以加速化学反应而不会被反应改变。先前的研究表明，使用钌催化剂可以降低反应温度。但是铂族金属钌价格昂贵。研究人员认为，他们可以使用纳米技术来替代铜和铁等更便宜的元素作为催化剂。

研究人员还想解决裂解氨的能源成本问题。目前的方法使用大量热量来破坏将氨分子结合在一起的化学键。研究人员相信，他们可以像手术刀一样利用光来切断化学键，而不是像锤子一样用热来切断化学键。为此，他们求助于纳米技术，以及一种更便宜的含铁和铜催化剂。

纳米技术的微小金属结构与光的结合是一个相对较新的领域，称为等离子学.通过将光照射到小于单一波长光的结构中，工程师可以以不同寻常的特定方式操纵光波。在这种情况下，莱斯团队希望利用这种工程光来激发金属纳米粒子中的电子，以此作为一种无需高温即可将氨分解成氢和氮成分的方法。由于等离子体激元需要某些类型的金属，例如铜、银或金，因此研究人员在创建微小结构之前将铁添加到铜中。完成后，铜结构起到天线的作用，可以操纵LED发出的光，将电子激发到更高的能量，而嵌入铜中的铁原子则起到催化剂的作用，加速激发电子进行的反应。

研究人员创建了这些结构并在莱斯大学的实验室中进行了实验。他们能够围绕反应调整许多变量，例如压力、光的强度和光的波长。但是校准确切的参数是一项艰巨的任务。为了研究这些变量如何影响反应，研究人员与主要作者卡特合作，卡特专门研究分子水平的反应。Carter和她的博士后研究员JunweiLucasBao使用普林斯顿的高性能计算系统，万亿级工程和科学突破性研究基础设施(TIGRESS)，通过她专门研究激发电子催化的专业量子力学模拟器运行反应。

“通过量子力学模拟，我们可以确定限速反应步骤，”卡特说，他还在普林斯顿安德林格能源与环境中心、应用数学和计算数学以及普林斯顿等离子体物理实验室任职。“这些是瓶颈。”

通过微调工艺，同时利用Carter和她的团队提供的原子级理解，Rice团队能够在室温下仅使用节能LED发出的光持续从氨中提取氢，而无需额外加热。研究人员说这个过程是可扩展的。在进一步的研究中，他们计划研究其他可能的催化剂，着眼于提高工艺效率和降低成本。

卡特目前还担任美国国家科学院碳利用委员会主席，他说下一步的关键是降低成本和碳污染，因为制造氨会开始运输循环。目前，大多数氨是在高温高压下使用化石燃料产生的。该过程既耗能又污染。卡特说，许多研究人员也在努力开发用于生产氨的绿色技术。

“氢气在工业中的使用无处不在，随着世界寻求能源脱碳，氢气将越来越多地用作燃料，”她说。“然而，今天它主要是由天然气不可持续地制造的——产生二氧化碳排放——并且难以运输和储存。氢需要在需要的地方可持续地制造和运输。如果可以生产无碳排放的氨，例如，通过使用脱碳电电解还原氮，它可以被运输、储存，并可能使用这里报道的LED照明铁铜光催化剂作为绿色氢的按需来源。”

这篇文章“在发光二极管照明下从NH3生成H2的地球丰富的光催化剂”发表在11月25日的《科学》杂志上。除了Carter、Halas和Nordlander，合著者还包括HosseinRobatjazi，他在莱斯大学获得博士学位，现在是SyzygyPlasmonics的首席科学家;JunweiLucasBao，现任波士顿学院教授;赖斯大学的YigaoYuan、JingyiZhou、AaronBales、LinYuan、MingheLou和MinhanLou;莱斯大学和华南理工大学的LinanZhou以及SyzygyPlasmonics的SumanKhatiwada。