第一作者：剡雪丽
通讯作者：师进文教授，陈文帅教授，刘茂昌教授
通讯单位：西安交通大学动力工程多相流国家重点实验室；东北林业大学生物质材料科学与技术教育部重点实验室
论文DOI：10.1021/acs.nanolett.4c04185
光催化全分解水制氢是一种可持续性的制氢手段，具有极为广阔的应用前景与优势。然而，此制氢途径在地理分布上对淡水供应有着强烈的依赖性，这种限制条件致使那些干旱地区，其本就严峻的淡水危机进一步恶化，陷入更为艰难的能源与资源困境之中。基于此，本研究别出心裁地引入了MOF-801-hydrazine-SrTiO
3
:Al(MS)复合材料，旨在达成仅凭借大气中的水以及太阳光，便能实现原位光催化制氢的目标。该MS复合材料具有独特的结构与性能优势，其中MOF-801-hydrazine展现出良好的吸湿特性，能够高效地从大气环境中捕获水分子，为后续反应提供充足的水源；而具备光催化活性的SrTiO
3
:Al则在光催化制氢制氧环节中扮演着核心角色。尤为值得一提的是，这一体系即便在干旱的气候条件下，依然能够展现出卓越的原位光催化全分解大气水的能力。在30% RH的特定环境中，短短60 min内，其吸湿量便能够稳定达到1.02 g
H
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g
MS
–1
的可观水平。与此同时，制氢制氧活性也表现出色，分别达到1033和494.34 μmol h
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g
s
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，充分彰显了该体系高效的原位制氢效能。综上所述，这种制氢方法无疑为充分利用自然资源来实现可持续制氢开辟了一条充满希望的全新道路，对于那些长期受困于水资源短缺的地区而言，其意义之重大不言而喻，有望成为缓解当地能源与资源压力、推动区域可持续发展的关键突破口与有力支撑。
能源短缺危机在农村与偏远地区凸显，推动了绿色能源采集技术发展。氢气因能量密度高、清洁无污染、储运性好、转化效率高，是出色能源载体与清洁可再生能源，光催化全分解水为高效制氢提供理想技术路线。但传统光催化制氢系统有地理局限，依赖淡水供应，需定期补水，加剧资源消耗与环境、经济、监管难题，且太阳能丰富区常缺水，故在干旱偏远地区光催化全分解水原位制氢极为关键。全球大气水储量约13万亿升，基于吸附原理的大气水采集技术以太阳能驱动，不受地理限制，为解决淡水危机带来希望，利用大气水与太阳能制氢切实可行且亟待推进。当前制氢与空气集水结合研究不足，现有技术多依赖额外能源或物质投入，需外部电力或牺牲剂维持运转，限制了应用推广。光催化全分解大气水技术具有创新性与潜力，无需外部电力与牺牲剂，不受地理限制，流程简单、条件温和、成本低、开发容易，是利用可再生能源制氢的理想方法。因此，开发基于原位资源的清洁便携制氢系统，在能源技术发展进程中有关键价值与紧迫意义。
(1) 本文研制出一种MOF-801-hydrazine-SrTiO
3
:Al(MS)复合材料，其仅依靠自然水汽与阳光，即可于干旱空气中实现可持续的原位光催化制氢过程。该材料由吸湿剂MOF-801-hydrazine和光催化剂SrTiO
3
:Al组成，二者协同作用，MOF-801-hydrazine负责从干旱空气里捕获水分，SrTiO
3
:Al则在光照下将所捕获水分分解为氢气与氧气。
(2) 在30% RH的干旱环境中，MS表现卓越，60 min内吸湿量可达1.02 g
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MS
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，同时原位制氢、制氧速率分别达1033和494.34 μmol h
–1
g
–1
，成功实现原位光催化全解大气水。这一显著成效归因于MOF-801-hydrazine的吸湿能力与SrTiO
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:Al的强光吸收及高效载流子迁移特性的良好匹配。
(3) MS复合材料凭借仅利用原位资源的特性，在极端环境可持续制氢领域取得了意义重大的突破，为相关领域的发展提供了极具价值的研究范例与技术思路。
利用自然界的原位资源制氢前景广阔，在极端环境亦如此。MOF-801-hydrazine-SrTiO
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:Al(MS)可从干旱空气集水制氢。MOF-801-hydrazine因亲水性、吸附位点与孔隙结构，可从干旱空气集水。大气水分子先在特定位点吸附，后续水分子通过氢键吸附，形成水团簇与传输通道。被MOF-801-hydrazine捕获的水分子在阳光驱动下，解吸并略过SrTiO
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:Al表面，以作为制氢氧的物质输入。SrTiO
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:Al的能带位置可满足水分解制氢氧电位要求，赋予MS光催化性。SrTiO
3
:Al在光激发下产生光生电子-空穴对，其迁移至反应位点进行氧化还原反应以制氢制氧。
图1
基于MS集成体系在干旱环境中用于原位光催化全分解空气水的示意图。(a) MOF-801-hydrazine吸附干燥空气中的水分（左），为SrTiO
3
:Al光催化剂供水，使空气水连续转化为氢气和氧气（右）。(b) MOF-801-hydrazine吸附剂捕获的水分子在太阳能驱动下迅速解吸（左），并流过SrTiO
3
:Al光催化剂表面，以作为制氢制氧的原料。(c)
SrTiO
3
:Al光催化全解水示意图。
MS-
x
由MOF-801-hydrazine与SrTiO
₃
:Al经液相组装制得。电子显微镜研究其微观结构，MOF-801-hydrazine为截角八面体，SrTiO
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:Al呈非立方且有多种晶面，粒径在50~500 nm。以MS-20为例，其SEM、TEM、EDX及HRTEM图像证实了MOF-801-hydrazine与SrTiO
3
:Al的共存且分布均匀。
图2
MS-20的微观形貌表征: (a) SEM图像，(b TEM图像，(c,d) HRTEM图像，(e) STEM图像，以及 (f) C, (g) O, (h) Zr, (i) N, (j) Sr, (k) Ti, (l) Al对应的EDX图谱。标尺：(a, e-1）200
nm, (b) 50 nm, (c, d) 5 nm。
利用多种表征手段（XRD、FTIR、拉曼光谱、XPS等）研究MS-
x
，XRD证实MOF-801-hydrazine与SrTiO
3
:Al复合且晶体结构稳定，FTIR和拉曼光谱显示二者化学结构良好。N
2
吸附-脱附等温线体现引入SrTiO
3
:Al使MS-
x
比表面积降低，影响大气集水。UV-vis光谱显示二者共存让MS-20有独特吸收边，且负载SrTiO
3
:Al时紫外光吸收增强。荧光测量结果显示，在MS-20和MS-40体系中MOF-801-hydrazine与SrTiO
3
:Al发生化学作用产生了新发射峰。MOF-801-hydrazine用于大气水的供应，且二者界面作用增强水分子传质。以上表明二者在MS-
x
中共存，且在MS-20和MS-40中有部分界面化学作用，进一步促进了大气水分子在解吸-制氢制氧过程中的传质。
图3
MOF-801-hydrazine、MS-20及SrTiO
3
:Al 的(a) XRD图谱，(b) FTIR光谱，(c)拉曼光谱，(d)
N
2
吸附-脱附等温线，(e)紫外-可见光谱，(f) PL光谱。
将吸湿材料与光催化剂整合的MS-
x
，旨在利用太阳能分解大气水原位制氢制氧，其关键在于吸湿性与光催化作用的相互匹配。经过优化，MS-20在30% RH环境中，60
min内的吸湿能力高达1.02 g
H
2
O
g
MS
–1
，随后在太阳能作用下其制氢制氧产率分别为1033和494.34 μmol h
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g
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，其摩尔比大约为2:1，表明MS-20可进行稳定地光催化全分解空气水，且其制氢性能位居报道的最高值。MS-20制氢表观量子效率与SrTiO
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:Al的吸光度相关，源于MOF-801-hydrazine持续供水与SrTiO
3
:Al强光吸收及有效载流子迁移特性的相互匹配。MS-20在30% RH下经多次循环，其结构、形貌及元素稳定性良好，光催化活性无显著下降，展现出优异的循环稳定性与吸湿制氢效率。
图4
基于太阳能驱动的干旱空气下制氢制氧的性能。(a) 30% RH、25℃环境下，MOF-801-hydrazine、MS-20及SrTiO
3
:Al在60 min内的吸湿情况。(b) 在氙灯照射下，M-20光催化分解大气水制氢制氧性能。(c) MS-20的UV-vis吸收光谱和AQE。（d）MS-20在空气吸水-解吸-制氢前后的XRD图谱。
本研究通过整合MOF-801-hydrazine吸湿单元与SrTiO
3
:Al光催化单元，构建了一种仅依赖大气水和太阳光的可持续原位制氢系统MS。在30% RH下，MS于60 min内可实现1.02 g
H
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O
g
MS
–1
的高吸湿量，此优异吸湿性能得益于MOF-801-hydrazine的亲水性、丰富水分子吸附位点及独特多孔结构。该体系光催化性能卓越，其原位制氢、制氧速率分别达1033和494.34 μmol h
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g
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，其高效性源自MOF-801-hydrazine的大气水自供应能力与SrTiO
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:Al的强光吸收及高效载流子迁移特性的协同作用。此方法为利用原位自然资源进行可持续氢气生产开辟了新途径，对面临水资源短缺困境的地区在能源开发与水资源利用方面具有极为关键的意义与价值，有望推动相关领域进一步探索和发展基于大气水转化的清洁能源技术。
文献信息：10.1021/acs.nanolett.4c04185
剡雪丽
，西安交通大学刘茂昌教授课题组博士研究生，研究方向为空气集水及光催化分解大气水制氢。
刘茂昌
，现任西安交通大学教授，博士生导师，并兼任动力工程多相流国家重实验室主任学术助理，国家级青年人才、陕西省青年科技奖、吴仲华优秀青年学者奖、霍英东青年教师基金获得者。主要从事太阳能-氢能/碳氢燃料的高效低成本规模转化利用方面的研究，在Nature Energy、Nature Commun.、PNAS、Energy Environ. Sci.等著名学术期刊发表一作及通讯作者论文60余篇，获国家发明专利授权10余件。应邀做国内国际会议邀请或主旨报告19次，担任分会主席7次。研究成果获国家自然科学奖二等奖、陕西省科学技术奖一等奖及陕西省优秀学术论文奖一等奖等。
陈文帅，
现任东北林业大学教授、博士生导师，生物质材料科学与技术教育部重点实验室副主任。黑龙江省青联常委、黑龙江省“新青年奖”十佳人物、黑龙江省青年五四奖章。国家级青年人才、国家自然科学基金优秀青年科学基金项目获得者。入选中国科协青年人才托举工程项目、国家林业和草原局林草科技创新青年拔尖人才、龙江学者青年学者。主要从事木材物理学研究，在木材纤丝解聚、重组与高效利用方面做出一系列创新性研究工作。在Nature Sustainability、Nature Communications、Advanced Materials、Chemical Society Reviews、Matter等期刊发表研究论文100余篇。入选斯坦福大学“全球前2%顶尖科学家”榜单。在科学出版社出版学术著作2部、出版英文书章1部。因在推动可持续生物基纳米能源领域的发展做出的重要贡献，获得2023
Energies Award。获梁希林业科学技术奖自然科学二等奖、中国林业青年科技奖、黑龙江省青年科技奖、中国化学会纤维素专业委员会青年学者奖、黑龙江省高校教师教学创新大赛二等奖、霍英东教育基金会高等院校青年教师基金等奖励。全国高校黄大年式教师团队、全国工人先锋号团队、黑龙江省头雁团队、林业工程学科创新引智基地（111项目2.0）骨干成员。现担任中国青年科技工作者协会会员、中国化学会纤维素专业委员会委员、中国林学会木材科学分会委员、东北林业大学学术委员会委员。担任Science Bulletin特邀编委、Nano-Micro Letters青年编委、SusMat青年编委、Nano Research Energy青年编委。
师进文，
现任西安交通大学教授，博士生导师，就职于西安交通大学绿色氢电全国重点实验室（原动力工程多相流国家重点实验室）国际可再生能源研究中心。长期从事新能源材料开发及太阳能制氢领域研究。已发表74篇第一作者/第一通讯SCI论文（11篇ESI高被引论文，2篇ESI热点论文），引用次数达5400余次，h因子44；入选2023年及2024年能源领域世界排名前2%科学家名单。主持国家级项目4项，省部级项目8项；公示/授权国家发明专利16项；获陕西省科学技术一等奖1项。
