不含铂金的塑料纳米颗粒利用阳光产生氢气

由瑞典查尔姆斯理工大学领导的一个研究团队报告称，他们在利用太阳能制氢方面取得了突破性进展。他们无需依赖稀缺且昂贵的金属铂，而是使用一种名为共轭聚合物纳米粒子的导电塑料微粒。据OilGasDaily报道，这种纳米粒子分散在水中后，能够吸收光能，并在模拟阳光照射下驱动氢气析出。在实验室反应器中，这些纳米粒子可以产生可见的氢气气泡流，并且在这些条件下，每克聚合物每小时可产生约30升氢气。

这项工作建立在查尔姆斯理工大学于2025年发表的一项详细研究之上，该研究围绕二苯并噻吩-S,S-亚砜（BTSO）单元设计了低成本共轭聚合物。根据该研究，这些聚合物能够自组装成水溶性纳米颗粒，并实现了209 mmol g⁻¹ h⁻¹的析氢速率，其性能受侧链工程、纳米颗粒形貌和溶液pH值的显著影响。查尔姆斯理工大学论文的PubMed索引证实了这些数据，并强调了高效率与聚合物主链中BTSO单元数量之间的明显相关性。

研究人员表示，这项关键进展在于分子级设计，它使聚合物链更具亲水性，并在纳米颗粒内部排列得更加松散，从而增强了与水的相互作用，并提高了光催化制氢效率。“开发不含铂的高效光催化剂一直是该领域的长期梦想。通过将先进的材料设计应用于我们的导电塑料颗粒，我们可以在不使用铂的情况下高效、可持续地生产氢气——成本大幅降低，性能甚至可以超越铂基体系。”共同第一作者霍姆斯在《石油天然气日报》（OilGasDaily）的报道中说道。

查尔姆斯理工大学的研究团队强调了除避免使用金属之外的几项实际优势：共轭聚合物可以通过更环保、成本更低的途径合成，从而降低与铂矿开采和提炼相关的环境和地缘政治风险。该项目也与欧洲和学术界更广泛的研究方向相一致，即理解纳米尺度形貌和自组装如何调控光催化活性。2025 年发表于《化学通讯》的文献指出，自组装、金属化和外围修饰可以独立或协同地调节催化性能，而可回收性和可重构性对于实际应用至关重要。欧盟资助的 PolyNanoCat 项目也致力于将纳米颗粒的光物理性质与光催化活性联系起来，凸显了学术界对有机光催化剂结构-功能关系的研究兴趣。

尽管实验室前景可期，查尔姆斯理工大学的研究人员也承认，在实现实用、无添加剂的太阳能制氢之前，仍存在诸多障碍。在目前的实验中，牺牲电子供体维生素C可以防止反应停滞，并实现较高的氢气析出速率；但它并非大规模生产的可持续试剂。“在这个系统中去除铂金是实现可持续制氢的重要一步。现在，我们正在探索旨在实现无添加剂水分解的材料和策略。这还需要几年时间，但我们相信我们正走在正确的道路上。”查尔姆斯理工大学化学与化学工程系教授、该研究负责人王尔刚在《石油天然气日报》的报道中表示。

历史和比较背景凸显了这项进展的意义和局限性。早期的研究方法是将生物光系统或无机光催化剂与铂结合，以获得高产率和长寿命的氢气；例如，2009 年发表在《自然·纳米技术》上的一项研究将光系统 I 和铂催化剂结合起来，在体外实现了数月的氢气持续产生。目前的聚合物策略旨在达到或超越此类性能，同时避免使用贵金属，但它仍然必须证明其具有稳定的长期运行能力，并且能够在不使用牺牲剂的情况下将水分解为氢气和氧气。

据《石油天然气日报》（OilGasDaily）报道，查尔姆斯理工大学的这项研究是一项国际合作项目，汇集了来自瑞典、巴西、中国和美国的科研人员，并获得了瑞典研究理事会、瑞典能源署（Formas）、瑞典能源署和瓦伦堡基金会的资助。乌普萨拉大学在复合聚合物点方面的研究以及其他研究团队在聚合物基光催化剂方面的努力，为提高光吸收和催化稳定性提供了互补的途径。

行业数据和研究路线图表明，要将实验室反应器转化为商业系统，该领域必须展现出在真实阳光下持续的活性、可靠的催化剂可回收性以及无需外部试剂即可实现整体水分解的能力。查尔姆斯理工大学的研究成果标志着材料领域朝着这些目标迈出了令人信服的一步：通过定制共轭聚合物以提高其水相容性和高效自组装能力，研究人员为铂基光催化剂的替代方案奠定了更坚实的实验基础。这一前景能否转化为可规模化、现场部署的太阳能制氢技术，将取决于能否解决剩余的挑战，例如无需添加剂的操作、催化剂的长期稳定性以及与实际设备的集成。