俄勒岡州立大學研究團隊開發新型光催化材料可無需金屬催化劑高效產氫

俄勒岡州立大學的研究人員創造了一類新型光激活材料，能夠從水中產生氫氣，提供一條潛在更清潔的從陽光到燃料的路徑。這種光催化劑能夠快速而高效地產生氫氣，且該材料不需要額外的昂貴金屬催化劑。該研究由大學科學學院的 Kyriakos Stylianou 領導，研究結果可能為減少溫室氣體排放和應對氣候變化提供另一工具。氫氣被廣泛用於燃料電池、製造氨、提煉金屬及生產塑料。

光催化劑的工作原理是催化劑在不被永久改變的情況下加速化學反應，而光催化劑在光照激活時也能實現此功能。Stylianou 表示，材料在吸收光之後達到更高的能量狀態，並可以利用這種能量更快速地驅動反應。這項研究的核心是金屬有機框架（MOFs），這是一種由帶正電的金屬離子和有機連接分子構建的結晶多孔材料。其微小的孔隙和可調的結構使科學家能夠針對不同用途進行性能微調。

Stylianou 指出，理論上存在數以百萬計的不同 MOF 結構，化學家已經合成了近 100,000 種 MOFs，並預測了約 500,000 種其他的性能。

BVR-19 的獨特性

研究團隊專注於一種名為 BVR-19 的 MOF。該材料含有一種不尋常的硫化物鍵，在光照下會暫時斷裂，產生高反應性的硫物種。Stylianou 表示：「有機組件負責重要的工作。」該材料並非主要依賴金屬原子，而是利用其含硫的有機建築塊捕獲光能並將電子轉移至氫氣生成過程中。他稱這種設計方法為重新思考如何設計此類材料。這一設計意味著 BVR-19 不需要額外的昂貴金屬催化劑，這可能簡化未來光驅動氫氣系統的開發。

此外，該材料在室溫下的水基溶液中自發形成，降低了製造所需的能量。

與傳統氫氣生成方法比較

利用催化劑分解水的過程比主流的工業方法——甲烷蒸汽重整更清潔，後者使用天然氣並釋放二氧化碳來生成氫氣。現有的水分解方法通常依賴於電催化，其環境效益取決於電力的來源。為了保持可持續性和經濟競爭力，這種電力必須來自低成本的可再生能源。成本仍然是一個障礙：甲烷蒸汽重整的氫氣產量約為每公斤 US$1.50 (約 HK$12)，而綠色氫氣的成本約為每公斤 US$5 (約 HK$39)。

Stylianou，俄勒岡州立大學材料發現實驗室的主任表示，這項研究為設計降低綠色氫氣成本的材料提供了藍圖。通過改變金屬並保持其他材料基本不變，他的團隊瞭解為何某些版本的 MOF 效能遠超其他版本。這些發現為創造更有效的太陽能燃料生產材料提供了新的設計準則。他們的研究得到了穆爾多克慈善信託基金、國家科學基金會及俄勒岡州立大學科學學院的支持。相關論文標題為《金屬有機框架中的內配體電荷轉移促進自由基陰離子介導的氫氣生成》。

實驗室的 Emmanuel Musa 和其他成員，以及數位俄勒岡州立大學的研究人員均為此項工作做出了貢獻。該研究已於《美國化學學會期刊》上發表。

新材料對氫氣生產的影響

這項研究的突破在於開發出一種無需金屬催化劑的光催化材料，這不僅降低了生產成本，還提高了環境可持續性。傳統的氫氣生成方法多依賴於化石燃料，釋放二氧化碳，對環境造成負擔。而新材料的應用可能會促進綠色氫氣的普及，並推動可再生能源的發展。隨著對清潔能源需求的增加，這種材料的發展顯得尤為重要，為未來的能源轉型提供了新的可能性。