清洁能源计划，包括美国基础设施投资法案的“清洁氢路线图”，都将氢作为未来的燃料。但目前的氢分离技术仍然没有达到效率和可持续性的目标。作为开发可替代能源材料的持续努力的一部分，德雷塞尔大学工程学院的研究人员已经生产出一种氧化钛纳米丝材料，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和需要大量能源的方法提供了另一种选择。光催化，一种仅利用阳光就能从水中分离氢的工艺，已经被探索了几十年，但仍然是一个遥远的考虑，因为实现该工艺的催化剂材料只能在一两天内存活，这限制了它的长期效率，从而限制了它的商业可行性。
由工程学院研究员Michel Barsoum博士和Hussein O. Badr博士领导的Drexel小组，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，最近报告了他们发现的光催化氧化钛基一维纳米丝材料，该材料可以帮助阳光一次从水中收集氢气数月。他们发表在《物质》(Matter)杂志上的文章《用于水-甲醇混合物光催化制氢的光稳定、一维纳米二氧化钛基蛭石》，为制造氢燃料提供了一种可持续和经济的途径。
侯赛因说:“我们的氧化钛一维纳米丝光催化剂显示出比其商业氧化钛对应物高一个数量级的活性。”“此外，我们的光催化剂被发现在水中可以稳定6个月——这些结果代表了新一代的光催化剂，最终可以启动人们期待已久的纳米材料从实验室到市场的过渡。”
Barsoum的团队在两年前发现了氢氧化物衍生的纳米结构(hdn)——氧化钛纳米材料家族，光催化材料也属于这种纳米材料——当时他们正在研究一种制造MXene材料的新工艺，德雷克塞尔大学的研究人员正在探索这种材料的多种应用。研究小组没有使用标准的腐蚀性氢氟酸从一种叫做MAX相的材料中化学蚀刻出分层的二维MXenes，而是使用了一种常见的有机碱——四甲基氢氧化铵的水溶液。
但是，这种反应并没有产生MXene，而是产生了薄的、纤维状的氧化钛基链——研究小组后来发现，这种链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离出来。
他说:“氧化钛材料以前已经证明了光催化能力，所以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。”“但我们没想到的是，它们不仅具有光催化作用，而且对于水-甲醇混合物制氢来说，它们是非常稳定和高效的催化剂。”
该小组测试了五种光催化剂材料——基于氧化钛的hdn，来源于各种低成本和现成的前体材料——并将它们与赢创aerooxide的氧化钛材料P25进行了比较，后者被广泛认为是最接近商业可行性的光催化剂材料。
每种材料都浸泡在水-甲醇溶液中，并暴露在由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堆组件中产生的氢的数量和活性持续时间，以及当光与催化剂材料相互作用时产生氢的光子的数量——这是了解每种材料催化效率的一个指标。
他们发现，所有五种基于氧化钛的hdn光催化剂都比P25材料更有效地利用阳光产生氢。其中一种是由二元碳化钛制成的，它使光子从水中分离出氢的效率是P25的10倍。
研究小组报告说，这种改善本身就很重要，但更重要的发现是，这种材料在暴露在模拟阳光下180多天后仍保持活性。
侯赛因说:“我们的材料在水-甲醇混合物中表现出可能的热力学稳定性和光化学活性，这一事实再怎么强调也不为过。”“由于我们的材料制造成本不高，易于扩大规模，而且在水中非常稳定，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这种材料会有这种行为，这样它就可以进一步优化作为光催化剂。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了甲醇之外的其他添加剂，作为“孔猝灭剂”——一种防止水分解反应逆转的化学物质，这是由于光催化反应的某种混乱性质而经常发生的。
结果是如此有希望，以至于该小组围绕这项技术成立了一家绿色氢创业公司，并与德雷克塞尔创新办公室和国家科学基金会创新队合作，朝着商业化的方向迈进。
“我们对这一发现的可能性感到非常兴奋，”Barsoum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的其他一些应用，包括将其用于电池、太阳能电池、水净化和医疗。侯赛因说，它们容易、安全、大批量生产的能力，使HDNs与其他纳米材料区别开来，这使它们有了多种可能的用途。
“我们的hdn纳米结构家族继续给我们合作的不同社区留下深刻印象。这些氧化钛纳米丝可用于许多应用，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等。”