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。氢是一种越来越受到关注的有前途的候选者。然而，当今的工业氢气生产仍然会产生相当大的CO2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(TUWien)的DominikEder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。该团队获得的成果发表在《AdvancedEnergyMaterials》杂志上。

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。这种催化剂最有希望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。Eder解释说：“虽然MOF确实非常擅长分离有机-无机界面上的载流子，但有效提取它们用于催化用途仍然是一个挑战。”

最近，具有层状结构的MOF在光电应用中受到了广泛关注，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MannerSchnitte，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PabloAyala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，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。

更多信息：PabloAyala等人，光催化析氢金属有机框架中二维建筑单元的出现：COK-47案