德雷克塞尔的氧化钛材料让阳光驱动绿色氢气生产
清洁能源计划，包括基础设施投资法案的“清洁氢路线图”，都指望氢作为未来的燃料。但目前的氢分离技术仍达不到效率和可持续性目标。作为开发可替代能源材料的持续努力的一部分，德雷克塞尔大学工程学院的研究人员生产了一种二氧化钛纳米丝材料，它可以利用阳光来释放无处不在的分子作为燃料来源的潜力。
这一发现为目前产生温室气体并需要大量能源的方法提供了替代方案。光催化是一种仅利用阳光就能从水中分解氢气的过程，已经被探索了几十年，但仍然是一个更遥远的考虑因素，因为实现该过程的催化剂材料只能存活一两天，这限制了其长期使用。期限效率及其商业可行性。
由工程学院研究人员MichelBarsoum博士和HusseinO.Badr博士领导的Drexel团队与罗马尼亚布加勒斯特国家材料物理研究所的科学家合作，最近报告了其发现的光催化氧化钛基材料，一种三维纳米丝材料可以帮助阳光一次从水中收集氢数月。作者表示，他们发表在《Matter》杂志上的文章“光稳定、一维纳米丝二氧化钛基纤铁矿用于在水-甲醇混合物中光催化制氢”，提出了一条可持续且经济实惠的氢燃料制造途径。
“我们的二氧化钛一维纳米丝光催化剂的活性比其商业二氧化钛同类产品高出一个数量级，”侯赛因说。“此外，我们的光催化剂被发现可以在水中稳定6个月——这些结果代表了新一代光催化剂，最终可以实现期待已久的纳米材料从实验室到市场的转变。”
两年前，Barsoum的团队发现了氢氧化物衍生的纳米结构(HDN)——光催化材料所属的二氧化钛纳米材料家族，当时该团队正在研究一种制造MXene材料的新工艺，德雷克塞尔大学的研究人员正在对这种材料进行大量探索。的应用程序。该小组没有使用标准的苛性氢氟酸从称为MAX相的材料中化学蚀刻出层状二维MXene，而是使用常见有机碱氢氧化四甲铵的水溶液。
但该反应并没有产生MXene，而是产生了基于氧化钛的细纤维线——研究小组发现，这种线具有促进化学反应的能力，当暴露在阳光下时，这种化学反应可以将氢从水分子中分解出来。
“氧化钛材料之前已经证明了光催化能力，因此测试我们的新纳米丝的这种特性是我们工作的自然组成部分，”他说。“但我们没想到发现它们不仅具有光催化作用，而且还是极其稳定和高效的催化剂，用于从水-甲醇混合物中生产氢气。”
该小组测试了五种光催化剂材料——基于氧化钛的HDN，源自各种低成本且容易获得的前体材料——并将它们与EvonikAeroxy的氧化钛材料(称为P25)进行比较，后者被广泛认为是最接近商业可行性的光催化剂材料。
将每种材料浸入水-甲醇溶液中，并暴露在模仿太阳光谱的可调照明灯产生的紫外-可见光下。研究人员测量了每个反应器组件中产生的氢气量和活动持续时间，以及与催化剂材料相互作用时产生氢气的光子数量——这是了解每种材料催化效率的指标。
他们发现，所有五种基于氧化钛的HDN光催化剂在利用阳光生产氢气方面都比P25材料更有效。其中一种源自二元碳化钛，在光子从水中分解氢方面的效率比P25高10倍。
研究小组报告称，这种改进本身就相当显着，但更重要的发现是，该材料在暴露于模拟阳光下180多天后仍然保持活性。
侯赛因说：“我们的材料似乎在水-甲醇混合物中可能在较长时间内保持热力学稳定和光化学活性，这一事实怎么强调也不为过。”“由于我们的材料制造成本低廉，易于扩大规模，并且在水中非常稳定，因此它在各种光催化过程中的应用值得探索。”
研究的下一步是更好地理解为什么材料会表现出这种行为，以便可以进一步优化它作为光催化剂。该团队目前的理论认为，材料的一维性质和理论上的高表面积有助于其持续活动，但需要额外的测试来证实这些建议。
该小组还在努力寻找除甲醇之外的其他添加剂，作为“空穴猝灭剂”——防止水分解反应逆转的化学物质，由于光催化反应的混乱性质，这种情况很常见。
结果非常有希望，该小组围绕该技术成立了一家绿色氢初创公司，并正在与德雷克塞尔创新办公室和国家科学基金会的创新团队合作，将其商业化。
“我们对这一发现的可能性感到非常兴奋，”巴苏姆说。“世界需要大量新的清洁燃料来取代化石燃料。我们相信这种材料可以释放绿色氢的潜力。”
此外，该小组正在探索HDN的许多其他应用，包括将其用于电池、太阳能电池、水净化和医疗。Hussein表示，HDN能够轻松、安全地大量生产，这使得它们有别于其他纳米材料，这使其具有多种可能的用途。
“我们的HDN纳米结构系列继续给我们合作的不同社区留下深刻的印象。这些二氧化钛纳米丝可用于多种应用，包括水净化、染料降解、钙钛矿太阳能电池、锂离子和锂硫电池、尿素透析和乳腺癌治疗等。”
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