摘要
燃烧化石燃料获取能源会产生温室气体。温室气体导致气候变化，这对环境和所有生物都有害。氢燃料可以代替化石燃料作为能源。我们可以利用两种自然资源生产氢气:阳光和水。氢燃料是可再生的，这意味着它不会耗尽，而且不会产生温室气体，对环境友好。一种叫做金属有机框架(MOFs)的材料可以加速产生氢气的反应。在阳光的帮助下，MOFs可以分解水分子产生氢气。如果我们在这个反应中使用脏水，我们也可以分解污染物。使用MOFs，我们可以同时净化水和产生氢气!将MOFs与阳光结合可以帮助解决两个全球性问题:气候变化和水污染。
气候变化及其挑战
在美国，我们使用的总能源的59%来自于化石燃料［1］．你坐小汽车还是公共汽车?你会打开家里的灯或电视吗?每次你开灯或开车时，你都在使用化石燃料!化石燃料来自生活在数百万年前的古老动植物。煤、石油和天然气都是化石燃料的例子。化石燃料必须燃烧才能释放它们所含的能量。但是燃烧化石燃料会释放温室气体，这就导致气候变化．当阳光照射到地球上时，地球表面会吸收热量。然后，地球将热量释放回大气层和外太空。大气中的温室气体会吸收这些热量，防止它们逸散到外太空。热量被困在我们的星球周围，就像一个加热毯[2］．大气中过多的温室气体就像在地球上堆了更多的毯子。这些毯子会使地球迅速升温。由于这些额外的毯子，全球气温正以前所未有的速度上升。
气候变化对我们的环境有多方面的不利影响。冰川融化和严重干旱是气候变化的一些影响。我们在野生动物身上看到了气候变化最显著的结果。海洋的温度和酸度正在迅速变化，因为我们释放了大量的温室气体。鱼类和珊瑚对它们海洋栖息地的变化很敏感。许多海洋动植物无法在更温暖、更酸性的环境中生存。科学家预测，海洋温度的上升可能会杀死70%以上的珊瑚礁[3.］．这一损失只占气候变化对生态系统造成的总破坏的一小部分。我们必须保护地球的生态系统，因为我们从它们的美丽和复杂中学习并受益。我们也需要这些生态系统来养活人类并提供必要的资源。
所有生物都需要水才能生存。气候变化和环境污染使人们更难找到干净的水。据估计，全世界每四个人中就有一人没有干净的饮用水[4］．污水、工厂废料和石油污染了我们饮用的水。饮用或使用脏水会使人和野生动物生病。找到清洁污染水的新方法是至关重要的，因为我们需要清洁的水来生存和保持健康。
一个有希望的解决方案
你是否曾在万里无云的日子里感受到阳光照射在皮肤上的温暖?照射在皮肤上的阳光会让你感到温暖，因为阳光含有能量!我们可以利用太阳能来代替燃烧化石燃料。捕获太阳能的一种方法是使用一种可以吸收光的材料。然后我们可以利用阳光中的能量来分解水分子!水分子的分解产生氢气(图1一个)．氢气可以用来为我们的灯、车辆和电子设备提供动力。如果我们用脏水，我们可以制造氢气而且同时净化水[5] !例如，我们可以利用这个过程来分解污染水中的抗生素、杀虫剂或染料。
- 图一-(一)分解水(H2O形成氢(H)2)和氧气(O2)．
- (B)氢(H2)与氧(O2)使氢燃烧，以热的形式释放能量。燃烧氢气发电产生水(H2O)。
当我们燃烧氢气获取能量时，我们会产生水，而且不会产生温室气体(图1 b)．这意味着氢燃料可以在不破坏生态系统的情况下为地球提供动力!氢燃料的能量密度也高于任何化石燃料。高能量密度意味着氢燃料比化石燃料含有更多的能量。水分解形成的氢燃料是可再生的，这意味着我们永远不会用完。在我们的汽车和建筑使用氢燃料之前，还有很多工作和研究要做。但是，知道我们可以获得清洁的氢燃料是让世界远离化石燃料的重要一步。我们可以把水中的污染物分解成氢燃料来提供能量而且为数十亿人提供干净的水!
我们可以用什么材料来制造H2?
为了利用太阳能制造氢燃料，我们需要一种材料催化剂．催化剂有助于并加速化学反应。一种催化剂叫做光催化剂它从阳光中吸收能量来加速化学反应。我们可以使用光催化剂将阳光转化为氢燃料，同时净化水。材料被称为有机框架(MOFs)可作为该过程的光催化剂[5］．这些材料由金属部件和非金属部件组成，分别称为配体．就像用乐高积木建造一样，这些部分连接在一起形成了原子尺度上的三维框架(图2一个)．通过使用各种配体和金属，科学家们可以创造出不同的mof，这些mof具有他们想要的特性。MOF框架中有气孔(小孔)，类似海绵。这些孔隙允许MOF吸附污染物和水。就像食盐一样，MOFs看起来像粉末，但在显微镜下是可以看到的微小晶体。
- 图二-(一)mof是通过将金属(橙色)与有机配体(粉红色)结合形成框架(中间)而创建的。
- 当将多个框架组合在一起时(就像用乐高积木建造一样)，框架在三维空间中生长，形成多孔材料(右)。(B)我们的MOF(粉红色和橙色的框架)在水中(红色和白色的分子)。因为我们的MOF是多孔的，水可以通过它的通道流动。当来自太阳的能量到达我们的MOF时，它可以分解水并形成氢气(绿色标出的白色分子)。
我们可以将MOF放在受污染的水中，并将混合物暴露在阳光直射下，以净化污水并制造氢燃料(图2 b)．产生的氢的数量和污染物降解的数量取决于混合物在阳光下放置的时间。一旦反应完成，我们就可以将MOF从水中过滤掉。然后，我们可以收集氢气和清洁的水!
工作原理
当阳光刺激了MOF，一种接力赛就开始了!接力棒(电子)在框架内的配体和金属之间传递。电子在许多配体和金属之间传递，直到它们到达MOF晶体的表面。大多数产氢反应发生在表面。从MOF的表面，电子被传递到邻近的水分子。来自MOF的电子分裂水分子产生氢(H2)。但是MOF不能有无限个电子，对吧?如果用完了怎么办?在电子耗尽之前，MOF会从脏水中相邻的分子中窃取电子。MOF可以通过从污染物中窃取电子从而破坏污染物来净化水。当MOF暴露在光线下时，水的分裂和污染物的分解每秒发生数百万次!该反应总结在图3．
- 图3 -将MOF材料添加到污水中
- 当阳光照射到MOF材料上时，它为反应(接力赛)的开始(步骤1)提供了能量。MOF将来自污染物的接力棒(电子)传递给水(步骤2)。当水得到电子时，它被分解成氢燃料，污染物在这个过程中被破坏(步骤3)。
回到更大的图景
我们生活的方方面面都依赖地球及其自然资源。可悲的是，我们对化石燃料的依赖已经造成了温室气体污染。大气中大量的温室气体正在导致气候变化。我们已经到了化石燃料替代品对扭转气候变化影响至关重要的地步。MOFs是一种光催化剂，可以利用阳光分解水中的污染物并产生氢气。MOFs可以在清洁水的同时制造氢——一种环保和可持续的燃料!看到可持续和创新的解决方案同时帮助解决两个问题是令人兴奋的!
术语表
化石燃料：↑燃料(如石油、煤、天然气)来自生活在数百万年前的古代植物和动物，用于燃烧以获取能量。
温室气体：↑燃烧化石燃料产生的气体在大气中积聚，并将热量困在地球表面。
气候变化：↑燃烧化石燃料会释放温室气体，这些气体会在地球附近捕获热量，导致我们的大气层迅速升温，使极端天气事件(如森林火灾、热浪、洪水)更加常见。
催化剂：↑助剂:帮助或加速化学反应的物质
光催化剂：↑助光剂:在光的帮助下帮助或加速化学反应的物质
金属有机框架(MOF)：↑一种由金属原子和有机分子连接而成的多孔晶体材料。
配位体：↑有机分子(含碳原子，非金属)连接金属原子形成一个，两个或三维金属有机框架。
电子：↑能参与化学反应的带负电荷的原子粒子。manbetxapp在线登录
利益冲突
作者声明，这项研究是在没有任何商业或财务关系的情况下进行的，这些关系可能被解释为潜在的利益冲突。
致谢
KCS感谢俄勒冈州立大学化学系通过SciRis-ii和启动资金提供的支持。S. Kampouri和T. N. Nguyen对水分解的MOFs研究进行了有益的讨论。MTN和TR分别感谢化学系对米尔顿·哈里斯研究生和本尼迪克特研究生奖学金的支持。作者感谢俄勒冈州立大学理学院的安妮·r·托马斯在人物插图方面的帮助。
参考文献
[1]↑泰拉，B. 2021年。能源净发电量。电力月刊．华盛顿特区:美国能源信息管理局。
[２]↑Halmann, M.和Steinberg, M. 1999。温室气体二氧化碳减排．博卡拉顿，佛罗里达州:CRC出版社有限责任公司。
[3]↑联合国政府间气候变化专门委员会。2018.“政策制定者总结”，在全球变暖1.5°C，主编马森-德尔莫特，翟平，H.-O。Pörtner, D. Roberts, J. Skea, P. R. Shukla, A. Pirani(日内瓦:世界气象组织)。32页。
[4]↑世界卫生组织，2021年。2000-2020年家庭饮用水、环境卫生和个人卫生进展:实现可持续发展目标的五年．日内瓦:世界卫生组织(卫生组织);联合国儿童基金会。
［5］↑Kampouri, S.， Nguyen, T. N.， Spodaryk, M.， Palgrave, R. G.， Zuttel, A.， Smit, B.等。2018。MIL-125-NH同时光催化制氢和染料降解2在可见光照射下。放置功能。板牙。28:1806368。doi: 10.1002 / adfm.201806368