瑞典查爾姆斯理工大學(xué)(Chalmers University of Technology)牽頭的一支研究團(tuán)隊提出了一種無需稀缺且昂貴的鉑金即可制取氫氣的新方法。研究人員利用陽光、水以及微小的導(dǎo)電塑料顆粒，展示了如何以高效率、可持續(xù)且低成本的方式生產(chǎn)氫氣。

氫能在全球可再生能源轉(zhuǎn)型中扮演著關(guān)鍵角色。盡管其使用過程的副產(chǎn)物只有水，但要實現(xiàn)大規(guī)模且環(huán)境友好的氫氣生產(chǎn)，仍面臨諸多挑戰(zhàn)。

其中一個主要難題是在利用陽光和水制氫時，通常需要使用鉑金作為助催化劑。然而，地球上的鉑金儲量有限，其開采過程對環(huán)境和人類健康均存在風(fēng)險。此外，鉑金生產(chǎn)高度集中于少數(shù)國家，如南非和俄羅斯。

在一項發(fā)表于《Advanced Materials》的最新研究中，由查爾姆斯理工大學(xué)Ergang Wang教授領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊展示了一種完全不依賴鉑金、卻能高效利用太陽能制取氫氣的方法。

這一研究突破為無鉑太陽能高效制氫打開了新大門。在查爾姆斯理工大學(xué)化學(xué)實驗室的反應(yīng)器中，肉眼即可清晰看到氫氣氣泡不斷生成，表明光催化反應(yīng)正在高效進(jìn)行。

查爾姆斯研究人員Alexandre Holmes介紹，該過程依賴于大量微小的導(dǎo)電塑料顆粒。這些顆粒浸沒在水中后，能夠同時與陽光及周圍環(huán)境發(fā)生相互作用。通過對導(dǎo)電塑料顆粒進(jìn)行先進(jìn)的材料設(shè)計，我們可以在不使用鉑金的情況下，實現(xiàn)高效、可持續(xù)的制氫，不僅成本大幅降低，其性能甚至可以超越基于鉑金的系統(tǒng)。

新方法的關(guān)鍵在于對導(dǎo)電塑料材料的分子層面設(shè)計。這種被稱為共軛聚合物的塑料能夠高效吸收光，但通常與水的相容性較差。研究人員通過調(diào)控材料的分子結(jié)構(gòu)，大幅提升了其與水的相容性。

Holmes表示：“我們還開發(fā)了一種方法，將塑料制成納米顆粒，從而增強(qiáng)其與水的相互作用，并提升光驅(qū)動制氫效率。這種改進(jìn)來自于顆粒內(nèi)部更加疏松、更加親水的聚合物鏈結(jié)構(gòu)。”

在實驗室反應(yīng)器中，隨著反應(yīng)進(jìn)行，氫氣氣泡不斷生成，肉眼即可觀察到，顯示出光催化過程的高效率。

當(dāng)模擬太陽光的燈照射到含有納米顆粒的水溶液中時，氫氣氣泡幾乎立刻開始形成并上升。隨后，這些氣泡被收集并通過管道引導(dǎo)至儲存容器，產(chǎn)氣量可實現(xiàn)實時監(jiān)測。

Holmes指出：“僅使用1克聚合物材料，我們就能在一小時內(nèi)生產(chǎn)約30升氫氣。”

此外，查爾姆斯的另一項最新研究還表明，這種導(dǎo)電塑料可以在不使用有害化學(xué)品的情況下制備，并且成本更低。

Wang團(tuán)隊的下一步重要目標(biāo)，是讓制氫過程只依賴陽光和水，不再添加任何輔助化學(xué)物質(zhì)。

目前，研究中仍使用維生素C作為所謂的“犧牲性抗氧化劑”。它通過提供電子，防止反應(yīng)停滯，從而在實驗室條件下實現(xiàn)較高的制氫速率。

Wang教授解釋，要實現(xiàn)真正可持續(xù)的太陽能制氫，最終目標(biāo)是在僅有陽光和水作為輸入的條件下，同時將水分解為氫氣和氧氣。

查爾姆斯理工大學(xué)化學(xué)與化學(xué)工程系教授、研究負(fù)責(zé)人Ergang Wang表示：“在這一體系中去除對鉑金的依賴，是實現(xiàn)社會可持續(xù)氫能生產(chǎn)的重要一步。現(xiàn)在，我們正開始探索新的材料和策略，以在無添加劑條件下實現(xiàn)整體水分解。這還需要幾年時間，但我們相信方向是正確的。”

原文鏈接：https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202507702

（素材來自：查爾姆斯理工大學(xué) 全球氫能網(wǎng)、新能源網(wǎng)綜合）