計量論壇

標(biāo)題: 科學(xué)家用獨特方法將水化作氫和氧 [打印本頁]

作者: 兌水 時間: 2009-4-15 07:47
標(biāo)題: 科學(xué)家用獨特方法將水化作氫和氧
設(shè)計由日光驅(qū)動的將水裂解為氫和氧的高效系統(tǒng)，以充分發(fā)揮氫作為清潔、可持續(xù)能源的潛力，是科學(xué)界目前所面臨的最重要挑戰(zhàn)之一。但現(xiàn)存的人造系統(tǒng)都存在效率低下的問題，而且還常常需要消耗各種化學(xué)制劑。因此，建立新的水裂解機(jī)制是十分重要的。現(xiàn)在，以色列魏茨曼研究所有機(jī)化學(xué)部戴維·米爾斯坦教授和他的同事開發(fā)出了一種獨特的方法，向克服這一挑戰(zhàn)邁出了重要一步。
　　
在此項研究中，研究人員展示了氧原子間一種新的鍵合模式，并明確了由此發(fā)生水裂解的機(jī)制。事實上，以源自水分子的兩個氧原子之間的鍵合形式來產(chǎn)生氧氣，正是水裂解過程中的瓶頸。此項研究成果發(fā)表在最新一期《科學(xué)》雜志上。
　　
大自然以一種不同的方式演化出一個非常有效的過程：植物通過光合作用提供了地球上所有的氧氣來源。雖然在對光合作用的理解上已取得了重大進(jìn)展，但這個系統(tǒng)究竟是如何發(fā)揮作用的依然尚不清楚，致力于開發(fā)以金屬絡(luò)合物作為催化劑的人工光合系統(tǒng)的絕大多數(shù)努力都收效甚微。
　　
魏茨曼研究小組最近開發(fā)的這種新方法可分成一系列反應(yīng)，水在經(jīng)過連續(xù)的熱驅(qū)動和光驅(qū)動步驟后釋放出氧氣和氫氣，而其中的關(guān)鍵離不開一種獨特的金屬絡(luò)合物媒介。他們設(shè)計的釕元素金屬絡(luò)合物是一種“智能”絡(luò)合物，其金屬中心及附著其上的有機(jī)組成部分可一起合作對水分子進(jìn)行分解。
　　
研究小組發(fā)現(xiàn)，將這種絡(luò)合物與水混合后，氫原子和氧原子間的鍵合被打破，一個氫原子不再與其有機(jī)部分相連，而剩下的氫原子和氧原子（OH基）仍束縛在金屬中心。這為下一步的加熱過程打下了基礎(chǔ)。當(dāng)水溶液被加熱到100℃時，氫氣就從絡(luò)合物中釋放出來，而另一個OH基則被添加到金屬中心。之后，研究人員在室溫條件下將這些絡(luò)合物進(jìn)行曝光，此時，不僅氧氣產(chǎn)生了，而且金屬絡(luò)合物又恢復(fù)到了其原始狀態(tài)，這樣就可進(jìn)行回收為下一次反應(yīng)使用。
　　
考慮到人造金屬絡(luò)合物促成兩個氧原子間的鍵合形成是非常罕見的，而且其工作原理尚不清楚，因此此項成果顯得格外顯著。而米爾斯坦和他的研究小組還成功地闡述了此一過程的工作機(jī)制。
　　
更多試驗表明，在第三階段，光照給兩個OH鍵合在一起形成過氧化氫提供了所需的能量，而過氧化氫則很快地分解為氧氣和水。由于過氧化氫被認(rèn)為是一個相對不太穩(wěn)定的分子，所以科學(xué)家們一直無視此一步驟，想當(dāng)然地認(rèn)為這是不可能發(fā)生的，而米爾斯坦研究小組的試驗結(jié)果恰恰相反。此外，該研究小組提供的證據(jù)還表明，兩個氧原子間的鍵合發(fā)生在單個分子內(nèi)，而不能在不同分子的氧原子間建立，而且這種鍵合來自于單個的金屬中心。
　　
下一步，研究人員計劃將這些步驟合而為一，以創(chuàng)建一個高效的催化系統(tǒng)，逐步接近實現(xiàn)能源替代的重要目標(biāo)。

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