科學(xué)家研究如何將水轉(zhuǎn)化為能源

　　科學(xué)日?qǐng)?bào)報(bào)道，水離解是維持地球上生命的至關(guān)重要的反應(yīng)之一，它或可能是產(chǎn)生未來(lái)燃料的關(guān)鍵。水離解是光合作用過(guò)程的關(guān)鍵，植物利用水和二氧化碳通過(guò)光合作用產(chǎn)生葡萄糖和氧氣，其中太陽(yáng)光作為能量。然而，有關(guān)這個(gè)過(guò)程仍存在一些重大的謎題。

自然自身的水離解催化劑——它是基于錳而非更常見的元素，例如鐵、銅或者鎳——是不可思議的高效，科學(xué)家們一直在努力研究背后的原因以及我們能夠如何模仿自然系統(tǒng)。

圖中的石頭便是名為錳鋇礦的二氧化錳礦物質(zhì)。

其中一個(gè)基本謎題便是為什么自然總是利用錳，尤其考慮到在中性PH值的環(huán)境里——自然界的水PH值是中性的——錳一般是非常不活躍，這一事實(shí)非常出人意料?？茖W(xué)家們制造了很多基于錳的人工催化劑，但仍然無(wú)法在中性PH值環(huán)境里讓它們處于活躍狀態(tài)。

而在最新一項(xiàng)發(fā)表在期刊《自然通信》上的研究里，由中村龍平(Nakamura Ryuhei )帶領(lǐng)的理化學(xué)研究所可持續(xù)資源中心的研究小組報(bào)告發(fā)現(xiàn)了基于礦物質(zhì)的催化劑，后者能夠在中性PH值環(huán)境里有效地將水離解成氧離子和氫離子(質(zhì)子)。據(jù)中村表示，這項(xiàng)研究的關(guān)鍵在于基于光譜發(fā)現(xiàn)所提供的新見解，也即只有當(dāng)質(zhì)子和電子的轉(zhuǎn)移是合理同步時(shí)，水離解的催化劑才能變得非常高效。正常來(lái)說(shuō)，人造催化劑是無(wú)法實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)的?？紤]到這一事實(shí)，研究小組提出了一項(xiàng)新的策略，通過(guò)糾正電子和質(zhì)子轉(zhuǎn)移在時(shí)間上的不同步性，以實(shí)現(xiàn)在中性PH值環(huán)境里錳氧化物催化活性的顯著提高。

向自然學(xué)習(xí)是這項(xiàng)研究的重要主題。據(jù)中村表示，“這項(xiàng)研究里所使用的阿爾法-錳氧化物是自然產(chǎn)生的錳礦里的主要組成物。我們非常驚訝的發(fā)現(xiàn)，一旦將電子和離子轉(zhuǎn)移的時(shí)間同步，即使是礦物樣的錳氧化物也能在中性PH值環(huán)境里有效地離解水。這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)激勵(lì)了我們思考自然是如何將一般不活躍的錳礦轉(zhuǎn)變?yōu)樗x解的活躍催化劑。”

可再生能源，例如太陽(yáng)、風(fēng)、水力發(fā)電和地?zé)崮?/strong>因時(shí)間的不同而漲幅不定，因此儲(chǔ)存能量是創(chuàng)造可持續(xù)社會(huì)的至關(guān)重要的任務(wù)。水離解可以用于將能量轉(zhuǎn)化為氫。后者可以與大氣層里的氧結(jié)合形成清潔燃料，或者與海洋或大氣層里的二氧化碳結(jié)合產(chǎn)生碳?xì)淙剂虾臀镔|(zhì)的原材料。中村希望能夠利用這一新知識(shí)創(chuàng)造一個(gè)電化學(xué)水離解裝置，后者能夠在中性環(huán)境里操作，將水作為資源進(jìn)一步探索以產(chǎn)生新的燃料。