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          未来利用太阳能的方式——太阳晒一晒水中氢气来

          发布时间▓█▄■:2018-09-18 阅读数:563

           太阳能是清洁无污染、取之不尽用之不竭的能源,但是▄■▓,利用太阳能的最大困难在于不能被直接储存,必须转化为其它可以储存的能源,例如氢能、电能▄▓、化学能等。其中,氢能是最理想的能源,这是因为氢气燃烧后生成的是水▓█,对环境无污染,可以循环使用。

           由于太阳能和氢能的这些优点,如何将太阳能转化为氢能的研究越来越受到人们的重视█■▄,人们在研究中发现,自然界有一些天然的酶,这些酶在阳光的作用下可以催化水中的质子还原产生氢气,因此科学家们管这种酶叫做氢化酶███。天然氢化酶分离提纯比较困难,在空气中又非常不稳定,因此很难应用到实际生产中。

           由宁波工程学院化学院的刘旭锋主持的受到菲律宾sunbet官网部分资助的“由D-A体系所构筑的分子催化剂的设计合成及其光催化产氢功能研究▓▓”项目,就一直致力于寻找出一种高效、廉价、稳定的催化酶以及设计出一套新型的光催化反应体系来高效率地制备氢气▄■▄。

           在研究过程中,他们首先从天然氢化酶的催化活性中心入手。自然界中的氢化酶按照所含的金属主要分为三类,一类是铁铁氢化酶■■■,一类是镍铁氢化酶,还有一类是单铁氢化酶。其中铁铁氢化酶的主要功能是催化质子还原产生氢气。1998年和1999年▄■▄■,人们首次以较高分辨率测得了铁铁氢化酶的晶体结构,并找到了它的活性中心,这为铁铁氢化酶的化学模拟研究奠定了坚实的基础。刘旭锋团队合成了一系列与铁铁氢化酶活性中心结构类似的含单膦配体取代的甲苯基双铁双硫配合物▓▄▓▄,并对它们的结构进行了元素分析、核磁共振、红外等表征,并用X射线单晶衍射确证了它们的结构▄▓,进一步研究了它们在电化学条件下催化质子还原产生氢气的性质▓█▄■。通过研究发现,同一种催化剂在加入电压的情况下,产生的氢气比不加电压时高两三倍,但产生的氢气总量仍是微乎其微▄■▓。

           近年来,利用太阳能进行光催化的研究十分热门,科学家们试图通过人工模拟光合作用来制氢。这个过程通常需要光敏剂▄▓,电子供体,电子载体和催化剂共同参与。自然界中,植物可以吸收太阳能实现光合作用▓█,其中叶绿素中有一种叫做卟啉的物质是天然光敏剂。卟啉和金属卟啉不仅是一类很好的电子供体,而且还是理想的天然光敏剂,在紫外-可见光区有很强的吸收█■▄。它能吸收太阳光的能量,使电子发生转移,电子转移后能够催化质子还原产生氢气。刘旭锋将光敏剂接到了一个催化剂——铁硫配合物上███,通过光照以后发现它能产生氢气。这虽然是一个突破,但催化效果仍旧离预想的目标相距甚远。

           科学的进步就是要通过大胆的设想才能有所突破▓▓,刘旭锋又将目标转向近年来大热的新材料——石墨烯。石墨烯是一种特殊的、全新的碳材料,这种单原子层厚度材料比表面积极高▄■▄,且具高强度和高弹性同时,它具有与铜媲美的导电性,且导热性超越了目前已知的其他所有材料。能否将石墨烯运用到催化剂当中呢?经过多次尝试■■■,他将原有的光敏剂进行了改进,将氧化石墨烯接到卟啉当中。

          之后他们尝试在乙醇和水的混合溶剂中,以卟啉-石墨烯作为光敏剂▄■▄■、铁铁氢化酶模型物作为催化剂、光照条件下催化质子还原产生氢气的功能,结果表明其催化效率要优于所有报道的类似催化体系。进一步的对照时间研究表明▓▄▓▄,用卟啉取代卟啉-石墨烯作为光敏剂,其产生氢气的量要远远少于卟啉-石墨烯的体系,说明石墨烯在光催化体系中扮演了非常重要的作用,大大提高了催化产氢的能力▄▓。

           该项目还开展了在含有电子供体半胱氨酸▓█▄■,光敏剂卟啉-石墨烯,催化剂铁铁氢化酶模型物的乙醇和水混合溶剂中,经汞灯光照以后,气相色谱检测证实产生了氢气▄■▓。连续光照13小时产生的氢气量对应的催化循环数达到5.32,说明了该合成的催化剂是比较高效和稳定的,相比于文献已报道过的要更加的优越。而且光催化产氢实验是在水溶液中(含有很少量的乙醇▄▓),对环境更加友好,没有任何污染,对于将来应用于工业生产具有一定的研究价值▓█。

                  刘旭锋坦言,此次有省自然基金的项目支持,除经费上的帮助外,也给了自己很大的动力去把项目完成得更优秀█■▄。虽然目前所取得的成绩离实际应用还非常遥远,但是,对未来而言,离梦想又近了一大步███。

                      

                                                                                                    (作者:赵丽娜   通讯员:钱昊  徐敏)

           

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