科學家用獨特方法將水化作氫和氧

設計由日光驅動的將水裂解為氫和氧的高效系統，以充分發揮氫作為清潔、可持續能源的潛力，是科學界目前所面臨的最重要挑戰之一。但現存的人造系統都存在效率低下的問題，而且還常常需要消耗各種化學制劑。因此，建立新的水裂解機制是十分重要的。現在，以色列魏茨曼研究所有機化學部戴維·米爾斯坦教授和他的同事開發出了一種獨特的方法，向克服這一挑戰邁出了重要一步。
　　
    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，并明確了由此發生水裂解的機制。事實上，以源自水分子的兩個氧原子之間的鍵合形式來產生氧氣，正是水裂解過程中的瓶頸。此項研究成果發表在最新一期《科學》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展，但這個系統究竟是如何發揮作用的依然尚不清楚，致力于開發以金屬絡合物作為催化劑的人工光合系統的絕大多數努力都收效甚微。
　　
    魏茨曼研究小組最近開發的這種新方法可分成一系列反應，水在經過連續的熱驅動和光驅動步驟后釋放出氧氣和氫氣，而其中的關鍵離不開一種獨特的金屬絡合物媒介。他們設計的釕元素金屬絡合物是一種“智能”絡合物，其金屬中心及附著其上的有機組成部分可一起合作對水分子進行分解。
　　
    研究小組發現，將這種絡合物與水混合后，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。當水溶液被加熱到100℃時，氫氣就從絡合物中釋放出來，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合物進行曝光，此時，不僅氧氣產生了，而且金屬絡合物又恢復到了其原始狀態，這樣就可進行回收為下一次反應使用。
　　
    考慮到人造金屬絡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。由于過氧化氫被認為是一個相對不太穩定的分子，所以科學家們一直無視此一步驟，想當然地認為這是不可能發生的，而米爾斯坦研究小組的試驗結果恰恰相反。此外，該研究小組提供的證據還表明，兩個氧原子間的鍵合發生在單個分子內，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，以創建一個高效的催化系統，逐步接近實現能源替代的重要目標。