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科学家研究如何将水转化为能源

2014-11-07 00:21:24 来源:凤凰科技

凤凰科技讯 北京时间7月3日消息,科学日报报道,水离解是维持地球上生命的至关重要的反应之一,它或可能是产生未来燃料的关键。水离解是光合作用过程的关键,植物利用水和二氧化碳通过光合作用产生葡萄糖和氧气,其中太阳光作为能量。然而,有关这个过程仍存在一些重大的谜题。自然自身的水离解催化剂——它是基于锰而非更常见的元素,例如铁、铜或者镍——是不可思议的高效,科学家们一直在努力研究背后的原因以及我们能够如何模仿自然系统。

图中的石头便是名为锰钡矿的二氧化锰矿物质。

其中一个基本谜题便是为什么自然总是利用锰,尤其考虑到在中性PH值的环境里——自然界的水PH值是中性的——锰一般是非常不活跃,这一事实非常出人意料。科学家们制造了很多基于锰的人工催化剂,但仍然无法在中性PH值环境里让它们处于活跃状态。

而在最新一项发表在期刊《自然通信》上的研究里,由中村龙平(Nakamura Ryuhei )带领的理化学研究所可持续资源中心的研究小组报告发现了基于矿物质的催化剂,后者能够在中性PH值环境里有效地将水离解成氧离子和氢离子(质子)。据中村表示,这项研究的关键在于基于光谱发现所提供的新见解,也即只有当质子和电子的转移是合理同步时,水离解的催化剂才能变得非常高效。正常来说,人造催化剂是无法实现这一点的。考虑到这一事实,研究小组提出了一项新的策略,通过纠正电子和质子转移在时间上的不同步性,以实现在中性PH值环境里锰氧化物催化活性的显著提高。

向自然学习是这项研究的重要主题。据中村表示,“这项研究里所使用的阿尔法-锰氧化物是自然产生的锰矿里的主要组成物。我们非常惊讶的发现,一旦将电子和离子转移的时间同步,即使是矿物样的锰氧化物也能在中性PH值环境里有效地离解水。这项发现激励了我们思考自然是如何将一般不活跃的锰矿转变为水离解的活跃催化剂。”

可再生能源,例如太阳、风、水力发电和地热能因时间的不同而涨幅不定,因此储存能量是创造可持续社会的至关重要的任务。水离解可以用于将能量转化为氢。后者可以与大气层里的氧结合形成清洁燃料,或者与海洋或大气层里的二氧化碳结合产生碳氢燃料和物质的原材料。中村希望能够利用这一新知识创造一个电化学水离解装置,后者能够在中性环境里操作,将水作为资源进一步探索以产生新的燃料。

对中村而言,这项研究具有未来潜力。“植物甚至可以利用自然水作为资源制造能源。它们无需酸性溶液或者碱性溶液,换句话说,自然会利用安全、清洁和普遍存在的水形式,从而创造真正可持续的生态系统。我希望我们的发现可以为中性PH值的水作为来源以产生可再生能源做出贡献,后者是构建可持续人类社会的基础之一。”(编译/严炎刘星)

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