科学家开发出能将阳光和水转化为清洁能源的非凡材料

摘要:

俄勒冈州立大学的研究人员创造了一种材料,它具有将阳光和水转化为清洁能源的非凡能力。由 OSU 理学院的 Kyriakos Stylianou 领导的一项合作创造了一种光催化剂,这种催化剂能够高速、高效地生产氢气,氢气可用于汽车燃料电池以及包括氨在内的多种化学品的生产、金属提炼和塑料制造。

Stylianou的研究重点是被称为金属有机框架(通常简称为MOFs)的多孔结晶材料。MOFs 由带正电荷的金属离子组成,周围环绕着有机"连接"分子,具有纳米级的孔隙和可调整的结构特性。它们可以设计成多种决定 MOF 性能的成分。

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通过光催化进行水分离。资料来源:Kyriakos Stylianou

在这项研究中,研究人员利用 MOF 衍生出一种金属氧化物异质结--两种具有互补特性的材料的组合--制造出一种催化剂,当暴露在阳光下时,这种催化剂能快速高效地将水分离成氢。他们将这种异质结称为 RTTA,其特征是由 MOF 衍生的氧化钌和掺杂了硫和氮的氧化钛。他们测试了多种含有不同数量氧化物的 RTTA,结果发现它们明显胜出。

Stylianou说:"在各种RTTA材料中,氧化钌含量最低的RTTA-1显示出最快的氢气生产速度和较高的量子产率。"

他指出,仅在一小时内,一克 RTTA-1 就能产生超过 10700 微摩尔的氢。这一过程利用光子--光粒子--的比率高达 10%,令人印象深刻,这意味着每 100 个光子击中 RTTA-1,就有 10 个光子促进了氢的产生。

"RTTA-1之所以具有显著的活性,是因为金属氧化物的特性和母体MOF的表面特性产生了协同效应,从而增强了电子传递,"Stylianou说。"这项研究凸显了 MOF 衍生金属氧化物异质结作为光催化剂用于实际制氢的潜力,有助于开发可持续的高效能源解决方案。"

与传统的通过产生二氧化碳的甲烷-蒸汽重整工艺从天然气中获取氢气的方法相比,通过催化工艺分裂水产生氢气的方法更为清洁。

目前从水中制氢的催化工艺涉及电催化--通过催化剂通电。电催化的可持续性取决于可再生能源的使用,而要在市场上具有竞争力,能源必须是廉价的。

目前,甲烷-蒸汽重整生产氢气的成本约为每公斤 1.5 美元,而绿色氢气的成本约为每公斤 5 美元。

"水是一种丰富的氢源,光催化技术提供了一种利用地球丰富太阳能制氢的方法,"Stylianou 说。"氧化钌并不便宜,但我们的光催化剂用量极少。对于工业应用来说,如果催化剂显示出良好的稳定性和可重复性,那么这种少量氧化钌的成本就变得不那么重要了。"

编译自/ScitechDaily

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