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踏雪凌霜鐵桿木蟲 (著名寫手)
蓉城老妖
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摘取“化學(xué)的圣杯”：人工光合成制氫研究獲進(jìn)展 已有11人參與
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超分子光化學(xué)研究團(tuán)隊研制出了這種高效催化劑。光一照射氫氣就產(chǎn)生，光照停止氫氣也停止，待再照射時氫氣又出來了。催化劑不再一上陣就“犧牲”。 利用太陽光分解水制氫，長久以來被視為“化學(xué)的圣杯”。最新成果顯示，中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所（以下簡稱理化所）研究員吳驪珠團(tuán)隊在摘取這只圣杯的道路上，邁出了關(guān)鍵性的一步。 “我們超分子光化學(xué)研究團(tuán)隊利用量子點這一新興‘人工原子’設(shè)計合成了人工光合成催化劑，建立了通過量子點和廉價催化劑制備人工光合成催化劑的方法�！眳求P珠在接受《中國科學(xué)報》記者采訪時說。 借此方法，超分子光化學(xué)研究團(tuán)隊獲得了高效、穩(wěn)定、廉價的人工光合成催化劑，在利用太陽能實現(xiàn)可見光催化制氫的研究上取得了突破性進(jìn)展。 “化學(xué)的圣杯” 在能源短缺和環(huán)境污染的雙重倒逼下，氫能早已被納入各國科學(xué)界的重點突破領(lǐng)域。許多科學(xué)家甚至認(rèn)為，如果能實現(xiàn)太陽能光催化分解水大規(guī)模制取氫氣，人類將有可能從根本上消除環(huán)境污染，緩和能源緊張形勢。 “因為氫氣的燃燒熱是汽油的3倍，可以用在燃料電池上。同時氫氣具有高還原活性，可以用在新型的原位還原反應(yīng)上。就像自然界光合作用一樣，將水和二氧化碳轉(zhuǎn)化為碳水化合物，比如葡萄糖等。”吳驪珠向《中國科學(xué)報》記者描繪著氫能利用的美好未來。 長久以來，世界各國的科學(xué)家嘗試用各種化學(xué)合成的方法做出類似光合作用的人工結(jié)構(gòu)，但是結(jié)果卻非常不理想——人工合成的結(jié)構(gòu)在光照后始終無法產(chǎn)生氫氣。 “我們能不能將吸光單元和人工模擬的氫化酶催化中心組裝起來，構(gòu)建一個人工合成的光催化劑，看看可否產(chǎn)生氫氣？”有多年光化學(xué)研究經(jīng)歷的吳驪珠一直在思考這個問題。2006年，她帶領(lǐng)團(tuán)隊開始了艱辛的探索。 需要勇氣的實驗 2009年，吳驪珠帶領(lǐng)團(tuán)隊將一個細(xì)胞單元與一個催化單元進(jìn)行連接，終于解決了傳統(tǒng)方法不產(chǎn)氫氣的難題。 “在實驗中，我們將光照射在人工構(gòu)筑的催化劑上，氫氣終于產(chǎn)生了！”這個結(jié)果令吳驪珠和她的團(tuán)隊成員們極為振奮。 但緊接著令人頭疼的問題又來了：催化劑一受光照便立刻“犧牲”了。 “催化劑的制備對我們的合成功底要求很高，耗時耗力好不容易產(chǎn)出一點點催化劑，可是卻要眼睜睜地看著催化劑上陣就犧牲的場景，非常心疼。”吳驪珠回憶起當(dāng)年實驗時的點滴時說，“這要求科研人員非常勇敢，敢于犧牲珍貴的成果去進(jìn)一步探索�！� 盡管相關(guān)論文的發(fā)表過程并非一帆風(fēng)順，但是當(dāng)實驗數(shù)據(jù)不斷被國內(nèi)外同行反復(fù)驗證后，吳驪珠對自己選擇的方向與方法更具信心。 “國際同行的成果‘咬’得很緊�！眳求P珠說。對此，她與學(xué)生們作好了充分的心理準(zhǔn)備，“這一領(lǐng)域的國際競爭非常激烈，我們需要時間讓大家認(rèn)識我們”。 從“嬌嫩”到“皮實” 盡管取得了不錯的成績，但是超分子光化學(xué)團(tuán)隊并未就此止步。 “我們面臨的難題是產(chǎn)出氫氣的效率依然不高�！眳求P珠說。 他們發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)氫效率的催化轉(zhuǎn)化數(shù)TON值還不到1，也就是說一個催化劑分子產(chǎn)生氫氣的分子數(shù)小于1。 疑慮隨之而來——盡管人工光合制氫“看上去很美”，但是擁有它的代價卻依然太高，這會是一個實用的科學(xué)研究嗎？ “這也是我們團(tuán)隊一直思考的問題。”她說。 如何將這些人工光合制氫催化劑的能力不斷貫徹，研制長壽、耐用、廉價的催化劑是他們的奮斗目標(biāo)。自然界氫化酶選擇了廉價金屬鐵與鎳。吳驪珠帶領(lǐng)科研人員在理解了光合作用中氫化酶的作用原理后，思考并嘗試制備高效但不“嬌嫩”的人工光合成催化劑。 要完成這個目標(biāo)，他們必須學(xué)習(xí)新知識。 幸運的是，超分子光化學(xué)研究團(tuán)隊研制出了這種高效催化劑�！肮庖徽丈錃錃饩彤a(chǎn)生，光照停止氫氣也停止，待再照射時氫氣又出來了。催化劑不再一上陣就‘犧牲’�！眳求P珠說。 “嬌嫩”的催化劑終于“皮實”了起來。“這應(yīng)該是一個實用的結(jié)果，我們?yōu)榇松暾埩藝H和國內(nèi)的專利保護(hù)�！眳求P珠說。 探索還在繼續(xù)�！拔覀儜�(yīng)該回過頭看看還有哪些問題存在，不斷完善人工光合成的體系�！彼f。 |
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