科學家剛剛發現了一種利用水製氫的新方法

一種新的光激活材料可以有效地從水中產生氫氣，而不需要額外的昂貴的金屬催化劑。研究人員表示，其不同尋常的硫基化學物質可能會帶來更便宜、更實用的方法，將陽光轉化為清潔燃料。

俄勒岡州立大學的研究人員創造了一種新型材料，可以利用光線從水中產生氫氣，為將太陽能轉化為燃料提供了一種潛在的更清潔的方法。

這項工作由俄勒岡州立大學理學院的 Kyriakos Stylianou 領導。他的團隊開發了一種能夠快速有效地產生氫氣的光催化劑。氫廣泛用於車輛燃料電池、氨生產、金屬精煉和塑膠製造。

利用光加速化學反應

斯蒂利亞努說，催化劑是一種加速化學反應且不會在反應過程中永久變化的物質。光催化劑的工作原理與此類似，但由光激活。吸收光後，材料達到更高的能量狀態，可以利用該能量更快地驅動化學反應。

Stylianou 表示，發表在《美國化學會雜誌》上的研究結果可以為研究人員提供另一種減少溫室氣體排放和應對氣候變遷的工具。

他的研究重點是金屬有機框架（MOF），這是一種晶體多孔材料，其結構可以精心定制。

MOF 由帶正電的金屬離子和有機「連接劑」分子包圍而成。它們的微小孔隙和可調節結構使科學家能夠根據不同的應用微調其特性。

Stylianou 說，理論上可能有數百萬種不同的 MOF 結構。化學研究人員已經合成了其中近 10 萬個，同時也預測了約 50 萬個的特性。

不尋常的硫鍵推動了反應

在這項研究中，研究人員重點研究了一種名為 BVR-19 的 MOF。該材料含有一種不尋常的硫醚鍵，當暴露在光線下時，該鍵會暫時斷裂，產生高反應性的硫物質。

「有機成分發揮重要作用，」斯蒂利亞努說。 “我們的材料不是主要依賴金屬原子，而是使用其含硫有機構件來捕獲光能並將電子移動到需要產生氫氣的地方。這代表瞭如何設計這些材料的不同思考方式。”

Stylianou 補充說，這種方法意味著 BVR-19 不需要額外的昂貴金屬催化劑。這可以使未來的光驅動氫氣系統更易於設計。

該材料還有另一個潛在優勢。 BVR-19 在室溫下在水溶液中自發形成，這降低了製造它所需的能量。

傳統氫氣的更清潔替代品

透過催化劑分解水來生產氫氣比依賴天然氣的主流工業方法更清潔。

這種傳統製程稱為甲烷蒸氣重整，在生產氫氣的同時釋放二氧化碳。

現有的從水中製造氫氣的方法通常依賴電催化，即使用電力來驅動催化反應。這種方法的環境效益在很大程度上取決於電力的來源。為了維持永續發展和經濟競爭力，電力必須來自低成本的再生能源。

目前，透過甲烷蒸氣重整生產的氫氣成本約為每公斤 1.5 美元，而綠色氫氣的成本約為每公斤 5 美元。

更便宜的綠氫的新設計規則

俄勒岡州立大學材料發現實驗室（MaD Lab）的負責人 Stylianou 表示：「我們的工作為設計更好的材料提供了藍圖，從而降低了綠色氫的成本。」「透過改變金屬，同時保持其餘材料基本相同，我們發現了為什麼某些版本的 MOF 比其他版本工作得更好。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規則設計」。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規則設計」。