俄勒冈州立大学研究团队开发新型光催化材料可无需金属催化剂高效产氢

俄勒冈州立大学的研究人员创造了一类新型光激活材料，能够从水中产生氢气，提供一条潜在更清洁的从阳光到燃料的路径。这种光催化剂能够快速而高效地产生氢气，且该材料不需要额外的昂贵金属催化剂。该研究由大学科学学院的 Kyriakos Stylianou 领导，研究结果可能为减少温室气体排放和应对气候变化提供另一工具。氢气被广泛用于燃料电池、制造氨、提炼金属及生产塑料。

光催化剂的工作原理是催化剂在不被永久改变的情况下加速化学反应，而光催化剂在光照激活时也能实现此功能。Stylianou 表示，材料在吸收光之后达到更高的能量状态，并可以利用这种能量更快速地驱动反应。这项研究的核心是金属有机框架（MOFs），这是一种由带正电的金属离子和有机连接分子构建的结晶多孔材料。其微小的孔隙和可调的结构使科学家能够针对不同用途进行性能微调。

Stylianou 指出，理论上存在数以百万计的不同 MOF 结构，化学家已经合成了近 100,000 种 MOFs，并预测了约 500,000 种其他的性能。

BVR-19 的独特性

研究团队专注于一种名为 BVR-19 的 MOF。该材料含有一种不寻常的硫化物键，在光照下会暂时断裂，产生高反应性的硫物种。Stylianou 表示：“有机组件负责重要的工作。”该材料并非主要依赖金属原子，而是利用其含硫的有机构建模块捕获光能并将电子转移至氢气生成过程中。他称这种设计方法为重新思考如何设计此类材料。这一设计意味着 BVR-19 不需要额外的昂贵金属催化剂，这可能简化未来光驱动氢气系统的开发。

此外，该材料在室温下的水基溶液中自发形成，降低了制造所需的能量。

与传统氢气生成方法比较

利用催化剂分解水的过程比主流的工业方法——甲烷蒸汽重整更清洁，后者使用天然气并释放二氧化碳来生成氢气。现有的水分解方法通常依赖于电催化，其环境效益取决于电力的来源。为了保持可持续性和经济竞争力，这种电力必须来自低成本的可再生能源。成本仍然是一个障碍：甲烷蒸汽重整的氢气产量约为每公斤 US$1.50 (约 HK$12)，而绿色氢气的成本约为每公斤 US$5 (约 HK$39)。

Stylianou，俄勒冈州立大学材料发现实验室的主任表示，这项研究为设计降低绿色氢气成本的材料提供了蓝图。通过改变金属并保持其他材料基本不变，他的团队了解为何某些版本的 MOF 效能远超其他版本。这些发现为创造更有效的太阳能燃料生产材料提供了新的设计准则。他们得到了穆尔多克慈善信托基金、国家科学基金会及俄勒冈州立大学科学学院的支持。相关论文标题为《金属有机框架中的内配体电荷转移促进自由基阴离子介导的氢气生成》。

实验室的 Emmanuel Musa 和其他成员，以及数位俄勒冈州立大学的研究人员均为此项工作做出了贡献。该研究已于《美国化学学会期刊》上发表。

新材料对氢气生产的影响

这项研究的突破在于开发出一种无需金属催化剂的光催化材料，这不仅降低了生产成本，还提高了环境可持续性。传统的氢气生成方法多依赖于化石燃料，释放二氧化碳，对环境造成负担。而新材料的应用可能会促进绿色氢气的普及，并推动可再生能源的发展。随着对清洁能源需求的增加，这种材料的发展显得尤为重要，为未来的能源转型提供了新的可能性。