科學家研究如何將水轉化為能源?

  水離解是維持地球上生命的至關重要的反應之一,它或可能是產生未來燃料的關鍵。水離解是光合作用過程的關鍵,植物利用水和二氧化碳通過光合作用產生葡萄糖和氧氣,其中太陽光作為能量。然而,有關這個過程仍存在一些重大的謎題。

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

  其中一個基本謎題便是為什麼自然總是利用錳,尤其考慮到在中性PH值的環境裡——自然界的水PH值是中性的——錳一般是非常不活躍,這一事實非常出人意料。科學家們製造了很多基於錳的人工催化劑,但仍然無法在中性PH值環境裡讓它們處於活躍狀態。

  而在最新一項發表在期刊《自然通信》上的研究裡,由中村龍平(NakamuraRyuhei)帶領的理化學研究所可持續資源中心的研究小組報告發現了基於礦物質的催化劑,後者能夠在中性PH值環境裡有效地將水離解成氧離子和氫離子(質子)。

  據中村表示,這項研究的關鍵在於基於光譜發現所提供的新見解,也即只有當質子和電子的轉移是合理同步時,水離解的催化劑才能變得非常高效。正常來說,人造催化劑是無法實現這一點的。考慮到這一事實,研究小組提出了一項新的策略,通過糾正電子和質子轉移在時間上的不同步性,以實現在中性PH值環境裡錳氧化物催化活性的顯著提高。

  向自然學習是這項研究的重要主題。據中村表示,“這項研究裡所使用的阿爾法-錳氧化物是自然產生的錳礦裡的主要組成物。我們非常驚訝的發現,一旦將電子和離子轉移的時間同步,即使是礦物樣的錳氧化物也能在中性PH值環境裡有效地離解水。這項發現激勵了我們思考自然是如何將一般不活躍的錳礦轉變為水離解的活躍催化劑。”

  可再生能源,例如太陽、風、水力發電和地熱能因時間的不同而漲幅不定,因此儲存能量是創造可持續社會的至關重要的任務。水離解可以用於將能量轉化為氫。後者可以與大氣層裡的氧結合形成清潔燃料,或者與海洋或大氣層裡的二氧化碳結合產生碳氫燃料和物質的原材料。中村希望能夠利用這一新知識創造一個電化學水離解裝置,後者能夠在中性環境裡操作,將水作為資源進一步探索以產生新的燃料。

  對中村而言,這項研究具有未來潛力。“植物甚至可以利用自然水作為資源製造能源。它們無需酸性溶液或者鹼性溶液,換句話說,自然會利用安全、清潔和普遍存在的水形式,從而創造真正可持續的生態系統。我希望我們的發現可以為中性PH值的水作為來源以產生可再生能源做出貢獻,後者是構建可持續人類社會的基礎之一。”




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