堪萨斯大学和美国能源部的布鲁克黑文国家实验室的科学家们在将氢和氧分离以制得纯氢方面取得了重要进展 —— 而无需使用化石燃料。

脉冲辐解实验的结果展现了一类重要的“分水催化剂”的完整反应机制。康涅狄格大学与布鲁克黑文研究团队的这一进展将使我们更接近通过可再生能源生成纯净氢气。这可能为国家和世界的可持续性发展做出重要贡献。

他们的研究成果最近在《美国国家科学院院刊》上发表。

“理解制造类似氢气这样的清洁燃料所涉及的化学反应是非常具有挑战性的——这篇论文代表了我在堪萨斯大学的第一年开始的项目的顶峰成果，”化学副教授兼合著者詹姆斯·布莱克莫尔说道。他在劳伦斯进行的研究为这一发现奠定了基础。

“我们的论文呈现了从专门的技术中获得的数据，以了解一种催化剂在产氢过程中的作用机制。” 他说，“在这里和布鲁克黑文（Brookhaven）使用的技术非常特殊。通过实施这些技术，我们得到了如何从其组成部分，质子和电子，制取氢气的完整画面。”

布拉克默(KU)在堪萨斯大学的研究是这一突破的基础。他将自己的工作带到布鲁克黑文用于脉冲放射分析等研究，并运用了其他技术在他们的能源研究加速中心进行实验。布鲁克黑文是全国仅有的两个配备脉冲放射分析设备的地方之一。

“非常罕见能够对一个完整的催化循环达到全面的理解，”布鲁克黑文实验室（Brookhaven）的化学家及该论文的共同作者德米特里·波利亚斯基（Dmitry Polyansky）表示。“这些反应经历了许多步骤，其中一些步骤非常迅速，难以轻易观察到。”

布雷克莫尔及其合作者通过研究基于五甲基环戊二烯基铑配合物的催化剂，简称为[Cp*Rh]，做出了这一发现。他们将焦磷酸基（英文发音为C-P-"star"）配体与稀有金属铑结合起来进行研究，这是因为以往的研究工作给出了这种组合适合用于这项工作的线索。

"我们的铑体系被发现是脉冲辐解实验的一个良好目标，"Blakemore说道。"正如所说的Cp*配体，对于大多数有机金属化学家和各类化学家来说都非常熟悉。它们被用来支持许多催化剂，并且可以稳定参与催化循环的各种物种。本文的一个关键发现为我们对于Cp*配体如何与氢进化的化学反应密切相关提供了新鲜的见解。"

然而，布莱凯莫尔强调这些发现除了产生洁净氢气之外，还有可能带来其他改进的化学过程。

“在我们的工作中，我们希望化学家们能够看到一项关于常见配体Cp*如何促使非常规反应发生的研究。” KU研究员表示，“这种非常规反应与氢气的故事有关，但它实际上更大，因为Cp*存在于许多不同的催化剂中。化学家通常认为催化剂是基于金属的。在这种思维方式下，如果你正在制造一个新的分子，金属是将组成部分结合在一起的关键角色。我们的论文表明这并不总是情况。Cp*可以参与将这些部分缝合在一起形成产物。”

布雷克莫尔表示，他希望这篇论文能够成为一个引领其他依赖于Cp*配体的催化剂和体系改进的开端。这一突破得到了美国国家科学基金会和能源部科学办公室的支持，其应用范围可能更广泛地涵盖工业化学领域。布雷克莫尔目前正在致力于应用类似于本研究中所采用的技术，来开发新的核燃料回收和锕系元素处理方法。

可克塔特大学的研究生和本科生也参与了支持这一突破的研究工作。

“这个项目对学生来说是一个非常重要的培训平台，”布莱克莫尔说道。“首席作者，研究生韦德·亨克现在已经在阿贡国家实验室担任博士后。研究生彭云是第二作者，并与布鲁克黑文实验室开始了这项合作工作；两人现在都已经完成了他们的博士学位。本科生们也多年来对这个项目做出了贡献，提供了新的复合物和洞察力，这些都被用来构建我们在这篇论文中所呈现的故事。”

总的来说，我认为这是一个成功的项目，也是多年来真正的团队努力成果。