近日，我校催化反应工程团队在氨分解制氢研究中取得重要进展，相关成果以“Innovative internal Joule-heated reactor design: Toward enhanced efficiency in hydrogen production via ammonia decomposition”为题发表在化学工程领域权威期刊《Chemical Engineering Science》上。
氨作为一种高效氢载体，具有储氢密度高、液化条件温和等优势，是解决氢气储运难题的重要途径。然而，传统氨分解过程是强吸热反应，依赖外部加热，不仅能耗高，还存在显著的热量传递损失和二氧化碳排放问题。
团队首先系统研究了催化剂粒径对氨分解性能的影响。结果表明，工业催化剂颗粒存在严重的内扩散限制，在650°C时2-3目颗粒催化剂的氨转化率仅为68.05%，而40-60目粉末催化剂可达94.45%。但粉末催化剂会导致过大的床层压降，限制其工业应用。
为破解这一矛盾，团队开发了涂覆Ni/Al2O3催化剂的SiSiC泡沫结构化催化剂。该泡沫具有75.26%的孔隙率和三维互通孔道结构，有效缩短了扩散路径，在650°C时实现了92.28%的氨转化率，接近粉末催化剂水平，同时大幅降低了压降。
在此基础上，团队进一步设计了床层原位焦耳热反应器，利用SiSiC泡沫的导电特性实现原位电加热，显著减少传统外壁加热过程中的传热损失。实验表明，在非反应条件下，该焦耳热反应器从室温升至并稳定在650°C仅需约2.5分钟，而外壁加热反应器约需26分钟。达到相同氨转化率时，其功率密度仅为外壁加热反应器的五分之一。
该工作将泡沫结构化催化剂与床层原位焦耳热反应器创新集成，为氨分解制氢提供了一条高效、节能的新路径，展现了过程强化与电气化相结合的广阔应用前景。该设计理念亦可拓展至其他强吸热催化反应过程。
该论文第一作者为硕士研究生刘武刚，通讯作者为化工学院施尧特聘副研究院和钱刚教授。研究得到了国家自然科学基金和中国博士后科学基金等项目的资助。
原文链接：https://doi.org/10.1016/j.ces.2025.121906