從催化劑研究看氫氣作用機理

催化劑能催化化學反應，但自身不會改變的物質。催化反應常見核心問題是輔助電子轉移和反應物接觸，其中電子轉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，是否能在催化反應中發(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模式，那么氫氣是否會影響和干擾電子傳遞過程，如果能產生這種作用，或許就是我們一直希望了解的氫氣發(fā)揮作用的關鍵模式。2015年，英國學者發(fā)現氫氣可以在動物體內被大量消耗，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，發(fā)生化學反應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效應的巨大秘密。

重要進展：歐洲科學家證明氫氣抗氧化作用遠超預期

個人認為，氫氣應該是一種蛋白酶活性調節(jié)劑，這種調節(jié)方式是與一些金屬離子形成互動調節(jié)，提高或降低酶活性。因此應該開展氫氣對各種酶活性直接調節(jié)作用的研究，或許能找到氫氣作用的目標分子。氫氣對酶活性的調節(jié)作用可能具有廣譜性、溫和性和優(yōu)化性特征?；钚哉{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節(jié)劑。氫氣只不過是一種過去沒有被認識到的方式。

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

90%的工業(yè)化學過程使用催化劑，在能源、石化、藥物和化肥等產品生產過程更為重要。至少15個諾貝爾化學獎是頒發(fā)給催化劑研究，世界上仍然有千萬名化學家正在努力發(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、減少反應步驟和節(jié)約能源資源，這是化學工業(yè)可持續(xù)性的必然要求，也有利于解決日益嚴峻的異常氣候和環(huán)境污染問題。催化劑是“綠色化學”的一個重要特征和實現途徑。催化劑也是解決能源危機的重要依據，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。密歇根大學化學家梅蘭妮·桑福德認為，這些模式在思路和技術上都已經接近成熟。

這些需求極大地推動著催化劑的創(chuàng)新研究，催化劑方面學術論文在過去十年增加了2倍。許多小組正在發(fā)明小分子復合物催化劑，或對蛋白分子進行化學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，在原子尺度設計固體催化劑。也有研究小組正嘗試光催化劑，或者借助DNA雙螺旋結構。創(chuàng)新高速度發(fā)展也給這個領域的學者帶來很大壓力。美國能源部為新催化劑性能建立基準的負責人斯科特說，必須努力確保在推進科學進步方面的很高效率。

加州大學博客里分校化學家John Hartwig說，20年前這個領域沒有人能對復雜分子進行精細改造操作，大家都是先把復雜結構拆散，然后再進行組裝。但是現在不同了，化學家能對分子的一部分進行精細編輯。

催化劑就像反應和產物之間的快捷方式，讓化學反應繞過許多途徑，加快反應速度。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分子混合器。