科学家们创造了一种能够将阳光和水高效转化为清洁能源的材料。
来自俄勒冈州立大学的科学家们创造了一种能够将阳光和水转化为清洁能源的材料。
由俄勒冈州立大学科学学院的Kyriakos Stylianou领导的团队开发了一种光催化剂，该催化剂能够高效快速地生产氢气。这种氢气对于为车辆提供动力至关重要，同时也用于生产氨、金属精炼和塑料制造等各种化学产品。
根据Stylianou的说法，研究结果展示了一种有前景的新方法来应对温室气体排放和气候变化，他的研究专注于被称为金属有机框架（MOFs）的晶体多孔结构。
MOFs由带正电的金属离子和有机“连接”分子组成。这些框架包含微小的孔和可调节的结构特性，允许它们通过不同的组分进行定制以影响其特性。
在这项研究中，科学家利用MOF创建了一种金属氧化物异质结——一种具有互补特性的两种材料的组合——从而获得了一种能够在阳光照射下有效将水分解为氢气的催化剂。
这个异质结被标记为RTTA，包括MOF衍生的氧化钌和经过硫和氮增强的氧化钛。团队研究了几种不同氧化物比例的RTTA，并找到了一个突出材料。
“在我们测试的RTTA材料中，RTTA-1，含有最少量的氧化钌，显示出最高的氢气生产率和优异的量子效率，” Stylianou 解释道。
值得注意的是，在一小时内，一克RTTA-1生成了超过10,700微摩尔的氢气。这种转化利用了光子——光粒子，以10%的效率进行，这意味着每100个击中RTTA-1的光子中，有10个帮助生成氢气。
“RTTA-1出色的表现归功于金属氧化物特性和母体MOF表面特性相结合的效果，这提高了电子转移，”Stylianou指出。“这项研究强调了MOF衍生的金属氧化物异质结作为有效光催化剂用于氢气生成的潜力，支持可持续和高效能源解决方案的创建。”
通过催化方法进行水分解产生氢气比传统的从天然气中提取氢气的方法更清洁，后者通过一种称为甲烷-蒸汽重整的过程排放二氧化碳。
目前，利用催化剂从水中生产氢气的方法涉及电催化——将电流通过催化剂。电催化的可持续性依赖于可再生能源的可用性，并且为了具有成本竞争力，该能源必须是可负担的。
目前，甲烷-蒸汽重整过程产生氢气的成本约为每千克1.50美元，而绿色氢气的成本约为每千克5美元。
“水是丰裕的氢气来源，光催化使我们能够利用地球丰富的太阳能进行氢气生产，”Stylianou表示。“虽然氧化钌的价格昂贵，但我们在光催化剂中所需的数量是最小的。对于工业用途来说，如果催化剂表现出良好的稳定性和可靠性，这少量的氧化钌的成本就变得不那么重要。”
研究资金来自科学学院及其化学系，以及退休的公立教育者和俄勒冈州立大学校友Brian和Marilyn Kleiner，研究结果发表在Angewandte Chemie.
该项目由研究生Emmanuel Musa、Ankit Yadav和Kyle Smith带头，并与俄勒冈州立大学的化学教授Xiulei “David” Ji、俄勒冈州立大学Linus Pauling科学中心电子显微镜设施主任Peter Eschbach、博士后研究员Min Soo Jung以及教职员工William Stickle合作。
