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摘取“化学的圣杯” |
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吴骊珠团队人工光合成制氢研究获进展 |
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吴骊珠
■本报记者 杨琪
超分子光化学研究团队研制出了这种高效催化剂。光一照射氢气就产生，光照停止氢气也停止，待再照射时氢气又出来了。催化剂不再一上阵就“牺牲”。
利用太阳光分解水制氢，长久以来被视为“化学的圣杯”。最新成果显示，中国科学院理化技术研究所（以下简称理化所）研究员吴骊珠团队在摘取这只圣杯的道路上，迈出了关键性的一步。
“我们超分子光化学研究团队利用量子点这一新兴‘人工原子’设计合成了人工光合成催化剂，建立了通过量子点和廉价催化剂制备人工光合成催化剂的方法。”吴骊珠在接受《中国科学报》记者采访时说。
借此方法，超分子光化学研究团队获得了高效、稳定、廉价的人工光合成催化剂，在利用太阳能实现可见光催化制氢的研究上取得了突破性进展。
“化学的圣杯”
在能源短缺和环境污染的双重倒逼下，氢能早已被纳入各国科学界的重点突破领域。许多科学家甚至认为，如果能实现太阳能光催化分解水大规模制取氢气，人类将有可能从根本上消除环境污染，缓和能源紧张形势。
“因为氢气的燃烧热是汽油的3倍，可以用在燃料电池上。同时氢气具有高还原活性，可以用在新型的原位还原反应上。就像自然界光合作用一样，将水和二氧化碳转化为碳水化合物，比如葡萄糖等。”吴骊珠向《中国科学报》记者描绘着氢能利用的美好未来。
长久以来，世界各国的科学家尝试用各种化学合成的方法做出类似光合作用的人工结构，但是结果却非常不理想——人工合成的结构在光照后始终无法产生氢气。
“我们能不能将吸光单元和人工模拟的氢化酶催化中心组装起来，构建一个人工合成的光催化剂，看看可否产生氢气？”有多年光化学研究经历的吴骊珠一直在思考这个问题。2006年，她带领团队开始了艰辛的探索。
需要勇气的实验
2009年，吴骊珠带领团队将一个细胞单元与一个催化单元进行连接，终于解决了传统方法不产氢气的难题。
“在实验中，我们将光照射在人工构筑的催化剂上，氢气终于产生了！”这个结果令吴骊珠和她的团队成员们极为振奋。
但紧接着令人头疼的问题又来了：催化剂一受光照便立刻“牺牲”了。
“催化剂的制备对我们的合成功底要求很高，耗时耗力好不容易产出一点点催化剂，可是却要眼睁睁地看着催化剂上阵就牺牲的场景，非常心疼。”吴骊珠回忆起当年实验时的点滴时说，“这要求科研人员非常勇敢，敢于牺牲珍贵的成果去进一步探索。”
尽管相关论文的发表过程并非一帆风顺，但是当实验数据不断被国内外同行反复验证后，吴骊珠对自己选择的方向与方法更具信心。
“国际同行的成果‘咬’得很紧。”吴骊珠说。对此，她与学生们作好了充分的心理准备，“这一领域的国际竞争非常激烈，我们需要时间让大家认识我们”。
从“娇嫩”到“皮实”
尽管取得了不错的成绩，但是超分子光化学团队并未就此止步。
“我们面临的难题是产出氢气的效率依然不高。”吴骊珠说。
他们发现，产氢效率的催化转化数TON值还不到1，也就是说一个催化剂分子产生氢气的分子数小于1。
疑虑随之而来——尽管人工光合制氢“看上去很美”，但是拥有它的代价却依然太高，这会是一个实用的科学研究吗？
“这也是我们团队一直思考的问题。”她说。
如何将这些人工光合制氢催化剂的能力不断贯彻，研制长寿、耐用、廉价的催化剂是他们的奋斗目标。自然界氢化酶选择了廉价金属铁与镍。吴骊珠带领科研人员在理解了光合作用中氢化酶的作用原理后，思考并尝试制备高效但不“娇嫩”的人工光合成催化剂。
要完成这个目标，他们必须学习新知识。
幸运的是，超分子光化学研究团队研制出了这种高效催化剂。“光一照射氢气就产生，光照停止氢气也停止，待再照射时氢气又出来了。催化剂不再一上阵就‘牺牲’。”吴骊珠说。
“娇嫩”的催化剂终于“皮实”了起来。“这应该是一个实用的结果，我们为此申请了国际和国内的专利保护。”吴骊珠说。
探索还在继续。“我们应该回过头看看还有哪些问题存在，不断完善人工光合成的体系。”她说。
《中国科学报》 (2014-04-21 第6版 进展)
