從催化劑研究看氫氣作用機理

催化劑能催化化學(xué)反應(yīng)，但自身不會改變的物質(zhì)。催化反應(yīng)常見核心問題是輔助電子轉(zhuǎn)移和反應(yīng)物接觸，其中電子轉(zhuǎn)移主要是利用過渡金屬元素的協(xié)助，氫氣作為一種獨特的物質(zhì)，是否能在催化反應(yīng)中發(fā)揮獨特作用，值得研究和考慮。進一步推測，在生物體系中，電子傳遞也普遍存在，酶催化也是基本反應(yīng)模式，那么氫氣是否會影響和干擾電子傳遞過程，如果能產(chǎn)生這種作用，或許就是我們一直希望了解的氫氣發(fā)揮作用的關(guān)鍵模式。2015年，英國學(xué)者發(fā)現(xiàn)氫氣可以在動物體內(nèi)被大量消耗，這說明氫氣的生物利用率非常高，如果沒有酶催化協(xié)助，氫氣在濃度低，體溫條件的身體內(nèi)，發(fā)生化學(xué)反應(yīng)降解的可能性幾乎為零。這一可觀變化一定隱藏著氫氣生物學(xué)效應(yīng)的巨大秘密。

重要進展：歐洲科學(xué)家證明氫氣抗氧化作用遠(yuǎn)超預(yù)期

個人認(rèn)為，氫氣應(yīng)該是一種蛋白酶活性調(diào)節(jié)劑，這種調(diào)節(jié)方式是與一些金屬離子形成互動調(diào)節(jié)，提高或降低酶活性。因此應(yīng)該開展氫氣對各種酶活性直接調(diào)節(jié)作用的研究，或許能找到氫氣作用的目標(biāo)分子。氫氣對酶活性的調(diào)節(jié)作用可能具有廣譜性、溫和性和優(yōu)化性特征。活性調(diào)節(jié)劑其實也廣泛存在，例如氧化還原狀態(tài)、溫度、酸堿度和滲透壓都可以屬于廣泛的酶活性調(diào)節(jié)劑。氫氣只不過是一種過去沒有被認(rèn)識到的方式。

1794年，蘇格蘭化學(xué)家伊麗莎白·富勒姆在她的書中，寫過關(guān)于燃燒的內(nèi)容。她注意到一個奇怪現(xiàn)象，碳或煤在潮濕情況下燃燒更容易。經(jīng)過反復(fù)實驗，她確認(rèn)這一現(xiàn)象并得出結(jié)論，認(rèn)為水能在高溫下分解為氫氣和氧氣，氫氣氧氣和其他物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，能促進燃燒反應(yīng)，但會再次形成等量的水。也就是說，水參與了反應(yīng)，但總量沒有改變。科學(xué)歷史學(xué)家認(rèn)為，這是催化劑科學(xué)描述，催化劑是能促進化學(xué)反應(yīng)，但本身不被消耗的材料。加州大學(xué)圣巴巴拉分校蘇珊娜·斯科特說，沒有催化劑就沒有現(xiàn)代化學(xué)，催化劑作用非常強大，不僅是化學(xué)反應(yīng)的條件，而且能決定化學(xué)反應(yīng)的方向和方式。

90%的工業(yè)化學(xué)過程使用催化劑，在能源、石化、藥物和化肥等產(chǎn)品生產(chǎn)過程更為重要。至少15個諾貝爾化學(xué)獎是頒發(fā)給催化劑研究，世界上仍然有千萬名化學(xué)家正在努力發(fā)明和優(yōu)化催化劑。使用催化劑的目的是獲得精確可控的反應(yīng)、減少反應(yīng)步驟和節(jié)約能源資源，這是化學(xué)工業(yè)可持續(xù)性的必然要求，也有利于解決日益嚴(yán)峻的異常氣候和環(huán)境污染問題。催化劑是“綠色化學(xué)”的一個重要特征和實現(xiàn)途徑。催化劑也是解決能源危機的重要依據(jù)，是使用比傳統(tǒng)化石燃料更惰性也更清潔能源的基本手段。例如利用催化劑更容易地把水分解為氫氣和氧氣，高效利用生物原料和二氧化碳。密歇根大學(xué)化學(xué)家梅蘭妮·桑福德認(rèn)為，這些模式在思路和技術(shù)上都已經(jīng)接近成熟。

這些需求極大地推動著催化劑的創(chuàng)新研究，催化劑方面學(xué)術(shù)論文在過去十年增加了2倍。許多小組正在發(fā)明小分子復(fù)合物催化劑，或?qū)Φ鞍追肿舆M行化學(xué)裁剪尋找具有新催化活性的酶。也有研究小組采用納米技術(shù)，在原子尺度設(shè)計固體催化劑。也有研究小組正嘗試光催化劑，或者借助DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)。創(chuàng)新高速度發(fā)展也給這個領(lǐng)域的學(xué)者帶來很大壓力。美國能源部為新催化劑性能建立基準(zhǔn)的負(fù)責(zé)人斯科特說，必須努力確保在推進科學(xué)進步方面的很高效率。

加州大學(xué)博客里分校化學(xué)家John Hartwig說，20年前這個領(lǐng)域沒有人能對復(fù)雜分子進行精細(xì)改造操作，大家都是先把復(fù)雜結(jié)構(gòu)拆散，然后再進行組裝。但是現(xiàn)在不同了，化學(xué)家能對分子的一部分進行精細(xì)編輯。

催化劑就像反應(yīng)和產(chǎn)物之間的快捷方式，讓化學(xué)反應(yīng)繞過許多途徑，加快反應(yīng)速度。催化劑就好像兩個地點之間的多車道高速公路，或者是一種高效反應(yīng)分子混合器。