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用于太阳能制氢的新型催化剂

摘要 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...

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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