当前位置:首页 >> 基金要闻 >> 资助成果

 

    我国学者在天然氢成因机制方面取得进展

    日期 2021-09-27   来源:化学科学部   作者:庄乾坤 云洋  【 】   【打印】   【关闭

    图1 Ni2+促进Fe(OH)2氧化产氢及其机理示意图

      在国家自然科学基金重点项目(项目批准号:21836002)等资助下,中南大学冶金与环境学院林璋教授团队从低温(< 200℃)蛇纹岩化作用产氢的关键步骤Fe(OH)2氧化出发,发现共存的Ni2+能够显著提升Fe2+氧化过程的产氢速率。该研究以“被忽视的岩石天然产氢途径—Ni2+催化低温蛇纹岩化过程中Fe(OH)2氧化还原水(An Overlooked Natural Hydrogen Evolution Pathway: Ni2+ Boosting H2O Reduction by Fe(OH)2 Oxidation during Low-temperature Serpentinization)”为题,于2021年9月14日发表在《德国应用化学》(Angew. Chem. Int. Ed. DOI: 10.1002/anie.202110653)期刊上。

      以蛇纹岩化为代表的水岩作用每年能产生大约1011摩尔的氢气,在非洲等地发现的天然氢气藏已被证实可直接供人类活动使用。这些天然氢不仅可以作为未来的清洁能源,也是维持地下微生物活动的重要能源物质,同时对地球早期有机物(例如CH4)的无机合成以及大气成分演化具有重要意义。然而,与之相关的产氢机理和速控因素一直是科学家长期关注的未解之谜。这不仅限制了天然氢勘探和开发工业的发展,也严重阻碍了地质学家理解相关地质事件演化的进程。针对该难题,林璋教授团队发现了低温(< 200℃)蛇纹岩化产氢作用的速控步骤是Fe(OH)2氧化,与之共存的Ni2+能够显著提升Fe2+氧化过程的产氢速率。相比于纯Fe(OH)2受限的产氢速率,在90℃,仅添加1% Ni2+,含Ni2+的Fe(OH)2实验组产氢速率显著增强了两个数量级(图1)。其次,D2O同位素实验表明产生氢气的来源是H2O而非Fe(OH)2,因此Ni2+掺杂提高了Fe(OH)2还原水的能力。DFT理论计算表明了Ni2+掺杂能显著提高相邻Fe位点对H2O的吸附能力,降低了水裂解能垒,进而促进了氢气的产生。

      该发现为从岩石矿物中获取氢能源的可能提供了实验基础,将有望应用于天然氢能源的勘探、开发和利用,从而推动氢能源的规模化应用,助力缓解因化石能源过渡使用造成的全球生态环境危机。