光催化剂研究揭示出生产绿色氢气的更好方法

俄勒冈州立大学的研究人员开发出一种材料，具有将阳光和水转化为清洁能源的卓越能力。

由俄勒冈州立大学科学学院的 Kyriakos Stylianou 领导的一项合作发明了一种光催化剂，可以高速高效地生产氢气，用于汽车燃料电池以及包括氨在内的许多化学品的制造、金属精炼和塑料制造。这项研究发表在《应用化学》上。

斯蒂利亚诺表示，这一发现代表了一种用于对抗温室气体排放和气候变化的潜在新工具，他的研究重点是被称为金属有机框架(通常缩写为 MOF)的结晶多孔材料。

MOF 由带正电的金属离子和有机“连接”分子组成，具有纳米级孔隙和可调节的结构特性。它们可以设计成具有多种决定 MOF 特性的组件。

在这项研究中，研究人员利用 MOF 衍生出金属氧化物异质结(两种具有互补特性的材料的组合)，制成一种催化剂，当暴露在阳光下时，可以快速有效地将水分解成氢气。

他们称这种异质结为 RTTA，其特点是采用 MOF 衍生的氧化钌和掺杂硫和氮的氧化钛。他们测试了多种含有不同氧化物含量的 RTTA，并找到了一种明显的赢家。

“在各种 RTTA 材料中，氧化钌含量最低的 RTTA-1 表现出最快的产氢速率和高量子产率，”Stylianou 说道。

他指出，仅一个小时，一克 RTTA-1 就能产生超过 10,700 微摩尔的氢气。这一过程利用光子(轻粒子)的比率高达 10%，这意味着每 100 个光子撞击 RTTA-1，就有 10 个光子有助于产生氢气。

“RTTA-1 的显著活性是由于金属氧化物的特性和母体 MOF 的表面特性的协同作用，从而增强了电子转移，”Stylianou 说道。“这项研究凸显了 MOF 衍生的金属氧化物异质结作为实际制氢光催化剂的潜力，有助于开发可持续、高效的能源解决方案。”

通过催化过程分解水来生产氢气，比通过二氧化碳生产过程(称为甲烷蒸汽重整)从天然气中获取氢气的传统方法更清洁。

目前，从水中生产氢气的催化过程涉及电催化——通过催化剂运行电流。电催化的可持续性取决于可再生能源的使用，而要想在市场上具有竞争力，能源必须价格低廉。

目前，甲烷蒸汽重整生产氢气的成本约为每公斤 1.50 美元，而绿色氢气的成本约为每公斤 5 美元。

“水是氢的丰富来源，而光催化则提供了一种利用地球丰富的太阳能生产氢的方法，”Stylianou 说。“氧化钌并不便宜，但我们的光催化剂中使用的量很少。对于工业应用而言，如果催化剂表现出良好的稳定性和可重复性，那么少量氧化钌的成本就变得不那么重要了。”