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催化大师禁虫 (正式写手)
科研先锋
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[交流]
独特方法将水化作氢和氧
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设计由日光驱动的将水裂解为氢和氧的高效系统，以充分发挥氢作为清洁、可持续能源的潜力，是科学界目前所面临的最重要挑战之一。但现存的人造系统都存在效率低下的问题，而且还常常需要消耗各种化学制剂。因此，建立新的水裂解机制是十分重要的。现在，以色列魏茨曼研究所有机化学部戴维·米尔斯坦教授和他的同事开发出了一种独特的方法，向克服这一挑战迈出了重要一步。 在此项研究中，研究人员展示了氧原子间一种新的键合模式，并明确了由此发生水裂解的机制。事实上，以源自水分子的两个氧原子之间的键合形式来产生氧气，正是水裂解过程中的瓶颈。此项研究成果发表在4月3日出版的《科学》杂志上。 大自然以一种不同的方式演化出一个非常有效的过程：植物通过光合作用提供了地球上所有的氧气来源。虽然在对光合作用的理解上已取得了重大进展，但这个系统究竟是如何发挥作用的依然尚不清楚，致力于开发以金属络合物作为催化剂的人工光合系统的绝大多数努力都收效甚微。 魏茨曼研究小组最近开发的这种新方法可分成一系列反应，水在经过连续的热驱动和光驱动步骤后释放出氧气和氢气，而其中的关键离不开一种独特的金属络合物媒介。他们设计的钌元素金属络合物是一种“智能”络合物，其金属中心及附着其上的有机组成部分可一起合作对水分子进行分解。 研究小组发现，将这种络合物与水混合后，氢原子和氧原子间的键合被打破，一个氢原子不再与其有机部分相连，而剩下的氢原子和氧原子（OH基）仍束缚在金属中心。这为下一步的加热过程打下了基础。当水溶液被加热到100℃时，氢气就从络合物中释放出来，而另一个OH基则被添加到金属中心。之后，研究人员在室温条件下将这些络合物进行曝光，此时，不仅氧气产生了，而且金属络合物又恢复到了其原始状态，这样就可进行回收为下一次反应使用。 考虑到人造金属络合物促成两个氧原子间的键合形成是非常罕见的，而且其工作原理尚不清楚，因此此项成果显得格外显著。而米尔斯坦和他的研究小组还成功地阐述了此一过程的工作机制。 更多试验表明，在第三阶段，光照给两个OH键合在一起形成过氧化氢提供了所需的能量，而过氧化氢则很快地分解为氧气和水。由于过氧化氢被认为是一个相对不太稳定的分子，所以科学家们一直无视此一步骤，想当然地认为这是不可能发生的，而米尔斯坦研究小组的试验结果恰恰相反。此外，该研究小组提供的证据还表明，两个氧原子间的键合发生在单个分子内，而不能在不同分子的氧原子间建立，而且这种键合来自于单个的金属中心。 下一步，研究人员计划将这些步骤合而为一，以创建一个高效的催化系统，逐步接近实现能源替代的重要目标。（来源：科技日报 冯卫东） （《科学》（Science），DOI: 10.1126/science.1168600，Stephan W. Kohl，David Milstein） |
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