2026 年 1 月 5 日
包括雅蓋隆大學（Jagiellonian University）研究人員在內的一組科學家，開發出一種新的光催化劑，可在不添加化學試劑的情況下直接從水中產生氫氣，且同樣能在海水中運作。這項突破依賴於分散在改質碳氮材料上的單原子鎳催化中心，以及一種以過氧化氫僅短暫作為中間體的反應機制。
氫氣正逐漸被視為未來的重要能源之一，因為在使用過程中不會產生廢氣，唯一副產物為水。然而，目前全球大部分氫氣仍透過化石燃料（主要是天然氣）製造，因此會產生二氧化碳排放。
在發表於《美國化學學會期刊》（Journal of the American Chemical Society）的研究論文中，研究團隊提出了一種人工光合作用的新策略：利用光能直接從水中產生氫氣，而不需要許多現有技術為提高反應效率所使用的化學添加劑（稱為「犧牲試劑」）。
研究人員指出：「這些化學試劑需要額外購買、精確控制用量，並在反應後進行副產物處理。這不僅增加系統的複雜度，也降低了未來工業化應用的經濟效益。此外，由於這些試劑在反應過程中會被氧化，反應本身也不再是單純的水分解，還可能產生多種副產物，通常是有機化合物的氧化衍生物，在極端情況下甚至會生成二氧化碳。」
光催化反應是利用受光激發的材料（稱為催化劑），為反應分子提供一條能量需求較低的替代反應途徑。催化劑本身並不會被消耗，因此在反應完成後仍可持續參與後續反應。
然而，光催化的一項主要挑戰在於電荷分離。光照會激發電子並留下所謂的「空穴」（電子缺失的位置）。若電子與空穴迅速重新結合，能量便會以熱的形式耗散，無法推動有效的化學反應。因此，高效催化劑必須能有效分離並維持這些電荷。
若使用海水作為反應介質，則會面臨額外挑戰。雖然海水資源豐富，但其中的鹽分與各類雜質可能會堵塞催化劑表面，甚至破壞其結構，使許多材料在海水環境中效率下降或迅速失去活性。
為解決這些問題，研究團隊將重點放在石墨相氮化碳（g-C3N4）材料上。這是一種具有類石墨結構的碳氮化合物，可視為由極薄且有序排列的「原子片層」組成，具有良好的穩定性與光吸收能力。
研究人員在其芳香環附近的片層結構中引入氰基（–C≡N）官能基。這些官能基可延伸材料的共軛鍵系統，進而提升光吸收能力與電荷分離效率，就像為電子提供更多可移動的通道。
該催化系統中最關鍵的元素是鎳。與一般以奈米粒子形式存在的金屬催化劑不同，本研究中的鎳以單原子形式分散於材料表面。這種結構稱為「單原子催化劑」，可確保每一個金屬原子都能被有效利用，同時也能精確控制其催化作用。
研究團隊透過多種先進分析技術，包括 X 射線吸收光譜（XAS），確認鎳原子確實以孤立狀態存在，並可觀察其周圍的局部原子環境。
水分解生成氫氣與氧氣本身是一項具有挑戰性的反應，因為生成氧氣的過程涉及多電子轉移，且需要在精確控制下形成 O–O 鍵。為降低反應難度，研究人員將反應拆分為較容易進行的兩個步驟。
在第一步中，水反應同時產生氫氣與過氧化氫（H₂O₂）。隨後，過氧化氫會自發分解為氧氣與水。實驗觀察顯示，過氧化氫在反應初期出現後迅速下降，而氫氣則持續釋放，這正是此兩步反應機制的明確證據。
在純水條件下，表現最佳的催化材料在 390 奈米紫光照射下，其產氫速率可達每克每小時 270 微莫耳（μmol/g/h）。值得注意的是，在海水中該材料同樣具有良好表現，在北海海水樣本中仍可達到 144 μmol/g/h 的產氫速率。在自然陽光照射條件下，雖然效率略低，但仍能穩定產生氫氣。
此外，該催化劑在長時間測試中也展現出優異穩定性。研究團隊進行了超過 720 小時的測試，其中包含 140 小時光照反應與 580 小時暗置階段，催化活性仍保持穩定。
研究人員表示：「這項研究的意義不僅在於產生多少氫氣分子。如果氫能要真正有助於減少氣候變遷帶來的壓力，就必須能在不依賴額外化學助劑的情況下生產氫氣。此外，在可利用海水的情況下，也不應消耗寶貴的淡水資源。」
