使用更少的能源生产氢气

来自德国耶拿大学和意大利米兰比可卡大学的国际研究小组首次详细描述了受自然启发的化合物产生氢气的方式。这些发现为高效生产氢气作为可持续能源奠定了基础。

自然作为模型

有天然存在的微生物产生氢气，使用称为氢化酶的特殊酶。“氢化酶的特别之处在于它们催化产生氢气。与通常在工业上使用昂贵的铂催化剂进行的电解不同，微生物使用有机金属铁化合物，”来自无机和分析化学研究所的 Wolfgang Weigand 教授解释说德国耶拿大学。“作为一种能源，氢气自然引起了人们的极大兴趣。这就是为什么我们想准确了解这种催化过程是如何发生的，”他补充道。

过去，全世界已经生产了许多化合物，这些化合物在化学上以天然存在的氢化酶为模型。与米兰大学合作，Weigand 和他在耶拿的团队现在已经生产出一种化合物，该化合物对催化过程产生了全新的见解。

“与自然界一样，我们的模型基于包含两个铁原子的分子。然而，与天然形式相比，我们以特定方式改变了铁的化学环境。准确地说，胺被磷化氢取代“具有相似化学性质的氧化物。因此，我们将元素磷发挥了作用。”

详细了解电催化制氢

这使 Weigand 和他的团队能够更好地了解氢的形成过程。水由带正电的质子和带负电的氢氧根离子组成。

“我们的目标是了解这些质子如何形成氢。然而，我们实验中的质子供体不是水，而是酸，”Weigand 说。“我们观察到酸的质子转移到我们化合物的氧化膦上，然后质子释放到其中一个铁原子上。在分子的天然变体中也会发现类似的过程，”他补充道。为了平衡质子的正电荷并最终产生氢，以电流的形式引入带负电荷的电子。在耶拿大学开发的循环伏安法和模拟软件的帮助下，检查了这些质子最终还原为游离氢的各个步骤。

“在实验过程中，我们实际上可以看到氢气是如何从溶液中以小气泡的形式上升的，”Weigand 指出。“来自循环伏安法的实验测量数据和模拟结果随后被米兰的研究团队用于量子化学计算，”Weigand 补充道。“这使我们能够提出一个合理的机制，说明整个反应如何以化学方式进行产生氢气 - 并且对于反应的每个单独步骤都是如此。这是以前从未以这种精确度完成的。”该小组在ACS Catalysis杂志上发表了结果和提出的反应途径。

目标：通过太阳能获得氢气

在这些发现的基础上，Weigand 和他的团队现在希望开发新的化合物，这些化合物不仅可以以节能的方式生产氢气，而且还可以使用可持续能源来实现这一目标。

“Transregio 合作研究中心 234 'CataLight' 是这项研究的一部分，其目标是利用阳光分解水来生产氢气，”Weigand 解释说。“凭借从我们的研究中获得的知识，我们现在正致力于设计和研究基于氢化酶的新催化剂，最终使用光能激活这些催化剂。”