用于太阳能制氢的新型催化剂
在当今的全球能源和气候危机中，寻找可持续和清洁的燃料至关重要。氢是一种越来越重要的有前途的候选者。然而，当今的工业氢气生产仍然会产生相当大的CO 2足迹，特别是考虑到蒸汽重整或不可持续电解等工艺。
因此，由材料化学研究所 (TU Wien) 的 Dominik Eder 教授领导的团队致力于开发环保的制氢工艺，例如通过光催化。这个过程只需光和催化剂即可将水分子转化为氢。通过这个过程，太阳丰富而清洁的能量可以储存在这种所谓的太阳能 燃料的化学键中。近日，该成果发表在科学期刊《Advanced Energy Materials》上。
新型光催化剂
在通过光催化生产绿色氢气时，催化剂起着至关重要的作用。与工业催化剂相比，光催化剂利用光能在室温和环境压力下促进水的分解。最有前途的候选者是金属有机框架，即所谓的 MOF。它们由通过有机连接分子连接在一起的分子无机结构单元组成。它们共同形成高度多孔的 3D 网络，具有极大的表面积和出色的电荷分离特性。
然而，大多数 MOF 仅在紫外线照射下才具有活性，这就是为什么社区改变有机化合物以使它们能够吸收可见光的原因。然而，这些修改对电子的迁移率有负面影响。另一个限制涉及电荷提取，即电子从材料中释放出来：“虽然 MOF 确实非常擅长在有机-无机界面分离电荷载流子，但它们的催化用途的有效提取仍然是一个挑战”，Dominik Eder 解释道。
最近，具有层状结构的MOF在光电应用中的应用引起了广泛关注，因为它们表现出极大改善的电荷提取性能。“你可以将这些层状结构想象成 Manner Schnitte，其中华夫饼是无机部分，巧克力是将它们结合在一起的有机配体”，该研究的主要作者 Pablo Ayala 解释道。“你只需要让华夫饼部分导电即可。”
水分解的挑战
与 3D-MOF 相比，层状 MOF 通常是无孔的，这减少了颗粒外表面的催化活性区域。“因此，我们必须找到一种方法使这些颗粒尽可能小”，埃德解释道。然而，材料的纳米结构常常伴随着结构缺陷的引入。这些可以充当电荷陷阱并减慢电荷的提取。“没有人喜欢缺少巧克力的曼纳炸肉排”，阿亚拉继续进行比较。“就光催化而言，我们还需要可以生产的最佳材料。”
因此，Dominik Eder 的团队开发了一种新的合成路线，即使是最小的晶体结构也可以无缺陷地生产。这是与本地和国际大学合作实现的。这种新颖的层状 MOF 以钛为基础，具有尺寸仅为几纳米的立方形状。该材料已经能够在可见光的影响下实现光催化制氢的创纪录值。
在以色列理工学院进行的计算机模拟的帮助下，该团队能够揭示潜在的反应机制，并证明了两件事：首先，MOF 的层状性质确实是有效电荷分离和提取的关键。其次，配体缺失缺陷会充当不需要的电荷陷阱，需要尽可能避免，以增强材料的光催化性能。
该研究小组目前正在设计新型层状MOF，并探索它们在各种能源应用中的应用。
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