熱催化NH₃分解產(chǎn)氫是目前廣泛應(yīng)用的技術(shù)，發(fā)展成熟，沒有二次污染。對于熱催化NH₃分解反應(yīng)，其反應(yīng)效率與M-N鍵的結(jié)合能密切相關(guān)。強(qiáng)M-N結(jié)合強(qiáng)度不利于產(chǎn)物N₂解吸，而弱M-N結(jié)合強(qiáng)度使得反應(yīng)物NH₃難以活化，反應(yīng)啟動(dòng)的可能性較小。

目前，由于Ru-N鍵的適當(dāng)結(jié)合強(qiáng)度，金屬Ru被認(rèn)為是NH₃分解產(chǎn)氫中最有效的金屬。因此，近年來Ru基催化劑被廣泛研究。由于Ru基催化劑在NH₃分解反應(yīng)中具有高度結(jié)構(gòu)敏感性，目前在納米尺度上可控地構(gòu)建催化劑以實(shí)現(xiàn)高NH₃分解效率是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。

近日，中國科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所唐志誠和中國科學(xué)院青島生物能源與過程研究所馮超等合成了堿金屬Cs摻雜的MCM-41約束Ru催化劑作為高效的NH₃分解催化劑(Cs/Ru-MCM-41)。該催化劑表現(xiàn)出優(yōu)異的NH₃分解性能，在510 °C下NH₃分解率達(dá)到99.9%，質(zhì)量空速(WHSV)為15000 g_cat^-1 h^-1，同時(shí)也表現(xiàn)出良好的催化穩(wěn)定性。

系統(tǒng)地表征結(jié)果表明，Cs和Ru物種之間存在相互作用，影響Ru-MCM-41催化劑的物理和電子性能。Cs和Ru物種之間相互作用的形成高度依賴于Ru-O-Cs的結(jié)構(gòu)，Ru-O-Cs結(jié)構(gòu)的形成有利于改善Ru納米顆粒的分散、B5位點(diǎn)的密度、富電子Ru物種的比例和堿位點(diǎn)的數(shù)量，從而提高NH₃分解效率。

原位DRIFTS和N₂-TPD結(jié)果表明，Cs作為Ru的有效電子供體，促進(jìn)了NH₃的脫氫，優(yōu)化了Ru-N鍵，促進(jìn)了N₂的解吸。此外，研究人員發(fā)現(xiàn)，堿金屬Cs的引入有利于緩解H對Ru位點(diǎn)的占據(jù)，釋放更多的Ru活性位點(diǎn)，加速催化循環(huán)，并提高Ru-MCM-41催化劑的抗氫中毒能力。

理論計(jì)算表明，Ru-O-Cs結(jié)構(gòu)的形成提高了催化劑的電子轉(zhuǎn)移能力，同時(shí)在Cs/Ru-MCM-41催化劑上NH₃*逐步脫氫、N*重組和H*重組的過程在熱力學(xué)上比Ru-MCM-41催化劑更有利。綜上，該項(xiàng)研究深入闡釋了堿金屬Cs在Ru基催化劑中的作用，并為合理設(shè)計(jì)高效穩(wěn)定的高抗氫中毒NH₃分解催化劑提供了方向和一定的理論依據(jù)。

The formation of Ru-O-Cs structure over Ru-based catalysts for efficient ammonia decomposition to hydrogen production. Nano Energy, 2025. DOI: 10.1016/j.nanoen.2025.111149