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中南大學(xué)冶金與環(huán)境學(xué)院林璋教授團(tuán)隊(duì)在國家自然科學(xué)基金（項(xiàng)目批準(zhǔn)號(hào)：21836002）等資助下，從低溫（<200℃）蛇紋巖化作用產(chǎn)氫的關(guān)鍵步驟Fe(OH)2 氧化出發(fā)，發(fā)現(xiàn)共存的Ni2+可以顯著提高Fe2+氧化過程的產(chǎn)氫速率。該研究采用“被忽視的巖石天然產(chǎn)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，在2021年9月14日發(fā)表于《德國應(yīng)用化學(xué)》雜志（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(chǎn)生大約1011摩爾的氫氣，在非洲等地發(fā)現(xiàn)的天然氫氣藏已被證實(shí)可直接供人類活動(dòng)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(dòng)的重要能源物質(zhì)，同時(shí)對(duì)地球早期有機(jī)物（例如CH4）的無機(jī)合成以及大氣成分演化具有重要意義。然而，與之相關(guān)的產(chǎn)氫機(jī)理和速控因素一直是科學(xué)家長(zhǎng)期關(guān)注的未解之謎。這不僅限制了天然氫勘探和開發(fā)工業(yè)的發(fā)展，也嚴(yán)重阻礙了地質(zhì)學(xué)家理解相關(guān)地質(zhì)事件演化的進(jìn)程。針對(duì)該難題，林璋教授團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了低溫（< 200℃）蛇紋巖化產(chǎn)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(chǎn)氫速率。相比于純Fe(OH)2受限的產(chǎn)氫速率，在90℃，僅添加1% Ni2+，含Ni2+的Fe(OH)2實(shí)驗(yàn)組產(chǎn)氫速率顯著增強(qiáng)了兩個(gè)數(shù)量級(jí)（圖1）。其次，D2O同位素實(shí)驗(yàn)表明產(chǎn)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(jì)算表明了Ni2+摻雜能顯著提高相鄰Fe位點(diǎn)對(duì)H2O的吸附能力，降低了水裂解能壘，進(jìn)而促進(jìn)了氫氣的產(chǎn)生。
該發(fā)現(xiàn)為從巖石礦物中獲取氫能源的可能提供了實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)，將有望應(yīng)用于天然氫能源的勘探、開發(fā)和利用，從而推動(dòng)氫能源的規(guī)模化應(yīng)用，助力緩解因化石能源過度使用造成的全球生態(tài)環(huán)境危機(jī)。
