水钠锰矿或可将水裂解为氢与氧

上一篇 / 下一篇  2011-05-25 14:26:27

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  据美国物理学家组织网近日报道,由澳大利亚莫纳什大学的科学领导的一个国际研究小组日前发现一种常见的化合物,可在通过阳光将水裂解成氢气和氧气的过程中起到催化作用。该技术有望使现有制氢工艺获得突破,使利用阳光大规模生产氢气成为可能。相关论文发表在最新一期《自然—化学》杂志上。

  莫纳什大学化学系教授利昂·斯皮西亚说,这项研究的最终目的是找到一种廉价高效的方式,以阳光为动力对水进行分解,获取氢燃料,从根本上解决人类目前所面临的能源危机。为了达到这个目标,他们一直试图通过复制植物光合作用方法,利用阳光将水分解成氢和氧,并在三年前获得了成功。但新的研究表明,或许还有更简单的方法同样能够奏效。

  把水变成燃料的整个过程中最难的部分是将水分裂为氢气和氧气。由于锰是维持植物光合作用的基本化学物质,在整个化学反应中起关键作用,在此前复制光合作用的实验中,斯皮西亚的研究团队将一层质子导体薄膜覆盖在一个电极上形成一层仅几微米厚的聚合体膜,通过在其中注入锰的方式成功实现了对水的裂解。

  新研究中,研究人员借助先进的分光镜技术对这种催化剂进行仔细的研究,结果发现这种催化剂已经分解成了一种非常常见的物质——水钠锰矿,很多岩石中都有这样的物质。在整个反应过程中,锰会在两种化合状态间循环。首先,当被施加电压时,锰会从水钠锰矿中的二价锰转化成为四价锰;而经过阳光照射后,水钠锰矿中的锰又会返回二价锰。这个循环过程中便会产生氧气、氢原子和氢电子。反应有两个步骤,首先,两个水分子被氧化形成一个分子的氧气,四个带正电荷的氢原子以及四个电子。第二步,质子和电子结合形成氢气分子。因此,研究人员发现在整个过程中实际上是水钠锰矿起了作用。

  论文的共同作者,澳大利亚电子材料科学研究中心的罗萨莉·霍金解释说,这种催化剂非常有趣,它与自然界中锰在海洋生物地球化学循环的作用非常接近。之前,科学家们花了很大的努力去合成维持植物光合作用的基本化学物质——锰,并以此来复制光合作用,但事实证明这些锰转化成了一种在地球上很常见的物质。新研究指明了这一点,这或许会有助于加深人们对自然界中以锰为中心的,利用水、二氧化碳和阳光制造碳水化合物和氧气这一自然过程的理解。同时,这项研究最终也将有助于生产出更多更便宜的制氢设备。


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