科學(xué)家用獨(dú)特方法將水化作氫和氧

設(shè)計(jì)由日光驅(qū)動(dòng)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(dú)特的方法，向克服這一挑戰(zhàn)邁出了重要一步。
　　
    在此項(xiàng)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(shí)上，以源自水分子的兩個(gè)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(xiàng)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(gè)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(duì)光合作用的理解上已取得了重大進(jìn)展，但這個(gè)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(dòng)和光驅(qū)動(dòng)步驟后釋放出氧氣和氫氣，而其中的關(guān)鍵離不開一種獨(dú)特的金屬絡(luò)合物媒介。他們?cè)O(shè)計(jì)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(duì)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(gè)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(shí)，氫氣就從絡(luò)合物中釋放出來，而另一個(gè)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(shí)，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(gè)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(xiàng)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(yàn)表明，在第三階段，光照給兩個(gè)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(gè)相對(duì)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(yàn)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(gè)氧原子間的鍵合發(fā)生在單個(gè)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(gè)的金屬中心。
　　
    下一步，研究人員計(jì)劃將這些步驟合而為一，以創(chuàng)建一個(gè)高效的催化系統(tǒng)，逐步接近實(shí)現(xiàn)能源替代的重要目標(biāo)。