我国学者在天然氢成因机制方面取得进展

　　

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。