phymath999: 光解反應後來改用奈米級的氧化鈷顆粒，欣喜地發現反應速度大大提高

Sunday, February 2, 2014

光解反應後來改用奈米級的氧化鈷顆粒，欣喜地發現反應速度大大提高

後來改用奈米級的氧化鈷顆粒，欣喜地發現反應速度大大提高

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人造光合作用取得突破人類將變

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日期:2013年10月31日

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　　世界科技報道[tech.icxo.com]：植物通過光合作用獲取能量，什麼時候人類也能像植物那樣，用清潔、簡便、高效的辦法從自然界獲取能量呢?人們離這一期望越來越近了。據美國“每日科學”網站3月12日報道，美國加州大學伯克利分校的科學家，在這一領域取得了重大突破，找到了可使光合反應順利進行的特殊催化劑。在此基礎上，科學家期望徹底弄清光合作用的奧秘，使人工光合作用能大規模用於生產和生活。　　大自然怎樣製造能量
　　人類工業文明出現不過幾百年，煤炭、石油等化石能源就日漸枯竭，加上氣候變暖和環境污染等，已嚴重威脅人們的生存。與之相比，大自然用其神奇的能量迴圈和分配系統，使整個生物圈幾十億年相安無事。無論從哪一方面講，自然的方式都比人工的來得高明。
　　那麼，自然的高明之處在哪呢?
　　環境污染的根源是人類用燃燒化石燃料的方式維持能量供應，由此產生了廢氣、廢水以及隨之而來的溫室效應、臭氧層破壞等。而大自然以綠色植物、海藻和藍細菌等為依託，借助太陽光，利用光合作用，將二氧化碳和水轉化成氧氣和葡萄糖，完成了精妙無比的能量迴圈。那些化石燃料如煤、石油、天然氣等，都是通過光合作用，以還原碳元素的形式固定下來的太陽能。但目前要利用這些化石燃料的能量，必須要付出環境污染的巨大代價。光合作用的能量來源雖然也是太陽能，但其反應物水和二氧化碳都直接取自自然，不會產生污染物。
　　如果請一位生物學家和一位可再生能源的研究人員，分別列出世界上最重要的化學反應，有一個反應毫無疑問會列在其中，即由光碟機動將水分子裂解為氧氣、氫離子和電子的反應，這是光合作用的核心。生物學家認為，這一反應向地球上所有複雜的生命提供能量和氧氣，使生命得以延續。可再生能源研究者則認為，它也許正是解決世界能源問題的關鍵。人類揭開了光合作用的這一關鍵過程後，便一直嘗試擺脫植物載體，在實驗室中通過光裂解水分子，產生可以燃燒的氫氣。

　　光合作用水裂解反應(以下簡稱“光解反應”)的出現，為多細胞生命的生存創造了條件。現在，25億年過去了，人類正在運用自己的聰明才智努力重復大自然的巧奪天工。這一反應過程十分精妙，至今科學家都未完全弄清。根據電化學理論，拆開水分子需要的能量足以摧毀任何生物分子。然而，植物每天都在進行這一反應，卻沒有對自身產生不良影響。科學家只有解開這個謎團，才能在實驗室中完成人工光合作用。

找到神奇的催化物

研究人員已發現，特殊的蛋白質 “光合體系Ⅱ”作為催化劑載體，起催化作用的是一種含錳的生化酶。在沒有綠色植物這個光合作用載體的情況下，人們期望找到一種人工催化劑以替換“光合體系 Ⅱ”。加州大學勞倫斯伯克利國家實驗室的研究人員正是找到了高效的催化劑——氧化鈷奈米顆粒，實現了高轉化率的光解反應，相關論文已發表在德國《應用化學》期刊上。
　　這個系列實驗是在加州大學勞倫斯伯克利國家實驗室“太陽神”太陽能研究中心完成的，該研究中心由華裔科學家、諾貝爾獎獲得者朱棣文創立。他也是勞倫斯伯克利實驗室的主任。主要參加者是研究中心主任海因茨·弗雷和他的博士後、旅美華人學者焦鋒(音)。弗雷介紹說，光解反應對催化劑要求極為苛刻，在經過無數次實驗後，他們發現氧化鈷奈米晶體既高效又快速，反應持久，也容易得到，正好能滿足要求。
　　最開始，他們用毫米級的氧化鈷顆粒做實驗，效果不理想。後來改用奈米級的氧化鈷顆粒，欣喜地發現反應速度大大提高。弗雷表示，使用氧化鈷奈米“團簇”(多個奈米束組成的團狀結構)做催化劑的反應速度是毫米糰簇的1600倍，每個團簇每秒約能裂解1140個水分子，反應功率(指每秒吸收的能量)與地面附近的太陽輻射能相當，約為每平方米1000瓦。
　　現代人何時變成“植物人”
　　雖然找到了理想的催化劑，但研究人員表示，這可能是偶然之中的意外收穫，還有很多問題有待解決，解決這些問題將有利於進一步提高催化效率。
　　研究人員使用較普遍的介孔矽(中間有孔洞的二氧化硅晶體)作為氧化鈷載體，通過一種“濕性注入”的技術將奈米束植入其中。最理想的情況是直徑約為8奈米、長50奈米的團簇，團簇中的奈米管互相連接，彎曲成直徑約35奈米的球體。但當使用其他形狀的奈米團簇時，催化效率就又大大降低。弗雷猜測說，奈米團簇的形狀可能對催化反應起決定作用。目前，弗雷與焦鋒正在進行進一步實驗，試圖探明其中的機理。
　　弗雷與焦鋒的研究成果無疑給人工光合作用打了一針強心劑。因為在這之前，主要研究重點放在催化反應過程上，高效催化劑一直未能找到。弗雷表示，無論從催化劑的易得性、奈米團簇的穩定性、反應中所加的電壓，還是酸鹼度、溫度方面來說，氧化鈷的催化效率已同“光合體系Ⅱ”相當。研究人員的下一個任務是，建立一個切實可行的太陽能能量轉換系統，將反應產生的氫氣以無污染的方式轉化成能量。
　　儘管取得了重大進展，但研究人員並不認為綠色能源近在眼前。“每日科學”的文章分析說，目前人工光合作用面臨著三大難題：如何捕捉太陽能;如何以電子的形式將太陽能轉運到反應中心;如何在光合作用的迴圈過程中補充電子。其中前兩個難題已經基本得到了解決，但至今還不知道如何解決第三個難題。要解決這個問題最好的辦法就是，徹底弄清光合作用的反應機理。
　　光合作用的基本過程是在葉綠體內進行的。葉綠體吸收光子，並傳導給葉綠素，使它釋放出高能電子，用於將二氧化碳還原為糖。葉綠素分子每丟失1個電子，催化核心就會從水分子中抽取1個電子為其補充。這樣，經過4輪電子轉移，兩個水分子轉化為1個氧氣分子、4個電子和4個氫離子，然後重新開始新一輪的迴圈。但在人工過程中很難實現電子補充，研究人員希望，在迴圈過程中將這一難題儘快攻破，到時人類就能像植物一樣，將太陽光轉化為可以利用的能量。