我國學者在天然氫成因機制方面取得進展

圖1 Ni2+促進Fe(OH)2氧化產氫及其機理示意圖

　　在國家自然科學基金重點項目（項目批準號：21836002）等資助下，中南大學冶金與環境學院林璋教授團隊從低溫（< 200℃）蛇紋巖化作用產氫的關鍵步驟Fe(OH)2氧化出發，發現共存的Ni2+能夠顯著提升Fe2+氧化過程的產氫速率。該研究以“被忽視的巖石天然產氫途徑—Ni2+催化低溫蛇紋巖化過程中Fe(OH)2氧化還原水（An Overlooked Natural Hydrogen Evolution Pathway: Ni2+ Boosting H2O Reduction by Fe(OH)2 Oxidation during Low-temperature Serpentinization）”為題，于2021年9月14日發表在《德國應用化學》（Angew. Chem. Int. Ed. DOI: 10.1002/anie.202110653）期刊上。

　　以蛇紋巖化為代表的水巖作用每年能產生大約1011摩爾的氫氣，在非洲等地發現的天然氫氣藏已被證實可直接供人類活動使用。這些天然氫不僅可以作為未來的清潔能源，也是維持地下微生物活動的重要能源物質，同時對地球早期有機物（例如CH4）的無機合成以及大氣成分演化具有重要意義。然而，與之相關的產氫機理和速控因素一直是科學家長期關注的未解之謎。這不僅限制了天然氫勘探和開發工業的發展，也嚴重阻礙了地質學家理解相關地質事件演化的進程。針對該難題，林璋教授團隊發現了低溫（< 200℃）蛇紋巖化產氫作用的速控步驟是Fe(OH)2氧化，與之共存的Ni2+能夠顯著提升Fe2+氧化過程的產氫速率。相比于純Fe(OH)2受限的產氫速率，在90℃，僅添加1% Ni2+，含Ni2+的Fe(OH)2實驗組產氫速率顯著增強了兩個數量級（圖1）。其次，D2O同位素實驗表明產生氫氣的來源是H2O而非Fe(OH)2，因此Ni2+摻雜提高了Fe(OH)2還原水的能力。DFT理論計算表明了Ni2+摻雜能顯著提高相鄰Fe位點對H2O的吸附能力，降低了水裂解能壘，進而促進了氫氣的產生。

　　該發現為從巖石礦物中獲取氫能源的可能提供了實驗基礎，將有望應用于天然氫能源的勘探、開發和利用，從而推動氫能源的規模化應用，助力緩解因化石能源過渡使用造成的全球生態環境危機。