俄勒岡州立大學(xué)的研究人員創(chuàng)造了一種材料，它具有將陽光和水轉(zhuǎn)化為清潔能源的非凡能力。由 OSU 理學(xué)院的 Kyriakos Stylianou 領(lǐng)導(dǎo)的一項合作創(chuàng)造了一種光催化劑，這種催化劑能夠高速、高效地生產(chǎn)氫氣，氫氣可用于汽車燃料電池以及包括氨在內(nèi)的多種化學(xué)品的生產(chǎn)、金屬提煉和塑料制造。

Stylianou的研究重點是被稱為金屬有機(jī)框架(通常簡稱為MOFs)的多孔結(jié)晶材料。MOFs 由帶正電荷的金屬離子組成，周圍環(huán)繞著有機(jī)"連接"分子，具有納米級的孔隙和可調(diào)整的結(jié)構(gòu)特性。它們可以設(shè)計成多種決定 MOF 性能的成分。

通過光催化進(jìn)行水分離

在這項研究中，研究人員利用 MOF 衍生出一種金屬氧化物異質(zhì)結(jié)--兩種具有互補(bǔ)特性的材料的組合--制造出一種催化劑，當(dāng)暴露在陽光下時，這種催化劑能快速高效地將水分離成氫。他們將這種異質(zhì)結(jié)稱為 RTTA，其特征是由 MOF 衍生的氧化釕和摻雜了硫和氮的氧化鈦。他們測試了多種含有不同數(shù)量氧化物的 RTTA，結(jié)果發(fā)現(xiàn)它們明顯勝出。

Stylianou說："在各種RTTA材料中，氧化釕含量最低的RTTA-1顯示出最快的氫氣生產(chǎn)速度和較高的量子產(chǎn)率。"

他指出，僅在一小時內(nèi)，一克 RTTA-1 就能產(chǎn)生超過 10700 微摩爾的氫。這一過程利用光子--光粒子--的比率高達(dá) 10%，令人印象深刻，這意味著每 100 個光子擊中 RTTA-1，就有 10 個光子促進(jìn)了氫的產(chǎn)生。

"RTTA-1之所以具有顯著的活性，是因為金屬氧化物的特性和母體MOF的表面特性產(chǎn)生了協(xié)同效應(yīng)，從而增強(qiáng)了電子傳遞，"Stylianou說。"這項研究凸顯了 MOF 衍生金屬氧化物異質(zhì)結(jié)作為光催化劑用于實際制氫的潛力，有助于開發(fā)可持續(xù)的高效能源解決方案。"

與傳統(tǒng)的通過產(chǎn)生二氧化碳的甲烷-蒸汽重整工藝從天然氣中獲取氫氣的方法相比，通過催化工藝分裂水產(chǎn)生氫氣的方法更為清潔。

目前從水中制氫的催化工藝涉及電催化--通過催化劑通電。電催化的可持續(xù)性取決于可再生能源的使用，而要在市場上具有競爭力，能源必須是廉價的。

目前，甲烷-蒸汽重整生產(chǎn)氫氣的成本約為每公斤 1.5 美元，而綠色氫氣的成本約為每公斤 5 美元。

"水是一種豐富的氫源，光催化技術(shù)提供了一種利用地球豐富太陽能制氫的方法，"Stylianou 說。"氧化釕并不便宜，但我們的光催化劑用量極少。對于工業(yè)應(yīng)用來說，如果催化劑顯示出良好的穩(wěn)定性和可重復(fù)性，那么這種少量氧化釕的成本就變得不那么重要了。"