金属有机框架(MOF)可以显着提高光催化生产清洁氢的效率。化学工程师起草了对该领域现状的全面概述以及需要重点关注的计划。
清洁氢生产仍然是能源密集型的，因此成本高昂，阻碍了应对全球变暖的斗争。金属有机框架——实际上是微小的分子“海绵”——由于其独特的结构特性，看起来有望从根本上提高光催化制氢的效率，但对该主题的研究面临着相当大的挑战。一组化学工程师对该领域的现状进行了概述，并制定了应该重点研究哪些领域以最有可能取得进展的路线图。
他们的综述论文于 2023 年 8 月 4 日发表在Polyoxometalates杂志上。
氢对于远离化石燃料的清洁过渡是必要的，无论是作为能量存储机制、清洁燃料的输入或直接作为清洁燃料，还是用于脱碳钢铁和氨生产。但氢气本身必须通过将水分解成其组成部分来清洁地生产。不幸的是，这种水分解是一种能源消耗，这提高了清洁氢气生产的成本。如果清洁氢要与肮脏的氢生产(通常通过甲烷(一种温室气体)的分解)竞争，那么水分解需要显着提高其效率。
一种被广泛讨论的提高效率的选择是在金属有机框架(MOF)的帮助下进行光催化水分解。
首先，来自阳光的能量激活光催化剂——一种能够启动并加速水分解反应的材料。接下来，想象一个类似乐高的结构，但乐高积木是由金属簇(一大群金属原子)制成的，而它们之间的连接器(或“链接器”)是有机分子。这些结构形成多孔 3D 网络，其作用类似于海绵将液体吸收到其孔隙中。但这些金属有机“海绵”，或更准确地说，金属有机框架(MOF)非常小，可以在分子水平上发挥作用，使科学家能够在内部捕获、储存或分离各种气体和化学物质。
由于其独特的性能，MOF 可以成为光催化水分解的游戏规则改变者，特别是在吸收启动整个光催化水分解过程的阳光方面。
近年来，对 MOF 光催化水分解作用的研究呈爆炸式增长，因此作者认为是时候就该主题撰写一篇科学评论论文了。科学评论论文就像科学上的“最佳”音乐专辑，将某个主题的所有热门发现和见解收集到一个全面的概述中。它们充当科学界的指南针，总结过去的研究以指导未来的探索，并帮助研究人员在现有知识的基础上发展而不是重新发明轮子。
该综述首先阐述了 MOF 的主要优势。一些 MOF 可以吸收阳光，然后将能量转移到其他材料或直接使用它来驱动水分解反应。此外，光催化剂的效率在很大程度上取决于其激发电子以从原子的价态跃迁到其传导水平的“带隙”的能力——这些被激发的电子现在可以在电流中自由流动。MOF 可以通过设计和修改来优化其带隙，使它们更适合吸收可见光。
“由于其多孔性质，MOF 还具有很大的表面积，”该综述的作者之一、扬州大学化学与化工学院的化学工程师庞焕说。“想想所有包围毛孔的内表面积。”
这种额外的表面积意味着 MOF 提供了更多可以发生水分解化学反应的位置，这些位置被称为“活性位点”。这些反应的场所越多，意味着水分解的效率越高。
MOF 还可以作为其他光催化材料的载体，确保它们保持稳定和分散。这可以防止光催化颗粒团聚(聚集在一起)，从而降低其效率。
扬州大学创新材料与能源研究所论文合著者杨安补充道：“MOF 的最大优势之一是其纯粹的多功能性。” “化学工程师可以通过选择不同的金属和有机连接体来定制 MOF 结构，从而设计出专为高效光催化水分解而定制的 MOF。”
作者还提出了一些最有前途的改进 MOF 光催化水分解用途的线索，特别是开发具有双活性位点的 MOFs (用于水分解化学反应(“析氢反应”)的两个部分)和“析氧反应”。
双活性位点可以为水分子的吸附(一种物质的分子将自身附着到另一种物质的表面的过程)和活化提供更多的活性位点。论文提出，双活性位点可以通过在MOF结构中引入两种不同类型的金属离子或有机连接基，或者通过引入助催化剂(与光催化剂结合使用以增强其性能的材料，在这种情况下，例如贵金属)到 MOF 表面上。
然而，论文还指出，具有双活性位点的 MOF 的设计和合成仍然是一项具有挑战性的任务。这是因为它需要精确控制 MOF 结构和成分。
此外，在MOF结构中引入两种不同类型的金属离子或有机连接体，或在MOF表面引入助催化剂，都会影响MOF的稳定性和活性。作者总结道，推进具有双活性位点的 MOF 的开发需要仔细考虑诸如 MOF 晶体的尺寸和形状等因素，以及 MOF 中心金属离子周围的原子排列，以及 MOF 和金属离子之间的相互作用。助催化剂。
最后，本文提出，具有双活性位点的MOFs的性能可能受到助催化剂的负载量和分布、MOFs的表面积和孔隙率以及反应条件等因素的影响。
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