可能有无数次，我曾和那些伟大的科学发现擦肩而过！

微著

2019-09-23

本文联合发布于学术公众号：催化计（ID：icat2019）

水能发生化学反应吗？答案是肯定的，在催化剂、光、电等外部条件下，我们用水产氢，用水产氧，用水合成各种各样的化学品。

但是，如果没有催化剂，没有任何外部条件，一滴水，单纯的一滴水，它自己能变成什么呢？

近日，美国斯坦福大学Richard Zare和韩国基础科学研究所Hong Gil Nam等团队报道了一个惊人的发现，在没有任何其他化学试剂以及外部刺激存在的情况下，微小的纯水水滴会自发地产生过氧化氢。这一惊人的发现使得环保、廉价的过氧化氢生产成为可能，也可以让化学合成变得更加绿色。

意外发现

话说有一天，Richard Zare领导的研究小组试图在微滴中合成金纳米结构，一个偶然的发现，水分子可以在微米大小的液滴中以1ppm左右的浓度氧化形成过氧化氢。他们将纯净水雾化得到微小的水滴后(直径1μm-20µm)，观察到水滴会自发产生H₂O₂，且H₂O₂的产量随着水滴尺寸的减小而增加。4-羧基苯硼酸的裂解以及苯硼酸在水滴中转化为苯酚，进一步证实了H₂O₂的生成。生成的过氧化氢浓度利用草酸钛钾滴定法测定，约为30µM。

这个反应是否有O₂的参与呢？研究人员将喷雾气体改为O₂后发现，微滴中H₂O₂的产率降低了，这说明无论是在雾滴周围的空气中，还是在水中，无需O₂的帮助，纯水微滴都能够直接生成H₂O₂。

这到底是什么魔幻的反应机理？研究人员思考了H₂O₂形成的各种可能机制，并为了验证假设进行了一系列探索实验，最后认为羟基自由基重组是最有可能的机制。

图1. 在微滴的气-液界面形成H₂O₂的机理

水在液滴表面电离形成氢离子和氢氧根离子，研究人员认为微液滴环境本身促进了液滴表面的氧化还原化学过程。在空气和水的界面上，氢氧根离子和氢离子之间有很明显的电荷分离现象。OH ^-疏水，而H⁺亲水，这就导致在界面上形成了一个非常强的电场。电场的强度大约是每厘米1000万伏特，比实验室产生的要大得多。该电场使氢氧根离子发生电离产生羟基自由基，随后结合形成过氧化氢。

图2. 过氧化氢在水微滴中自发生成的荧光图像

重大意义

这种无催化剂、无外接电源的H₂O₂生产方法为双氧水的绿色生产提供了的机会，但是，最令人兴奋之处在于，这项重大发现表明水滴具有发生氧化还原反应的能力。虽然在微水滴环境中所有类型的过程都可以发生，但当水的体积变大时则不会出现类似的情况。

这一发现还可能让食品加工变得更加安全清洁。Zare等人尝试通过向空气中喷射小水滴来杀死大肠杆菌和沙门氏菌，对此他们感到兴奋不已。

这一发现还可能有助于解释地球上生命的起源，甚至可以被认为是人工细胞。

专家点评

美国卡内基梅隆大学绿色科学研究所所长、化学家Terry Collins表示，这是一个美丽的发现，并开启了一系列非常有趣的研究。

美国卡内基梅隆大学大气化学家、绿色科学研究所副所长RyanSullivan认为，这一发现可能会让化学变得更加绿色环保。Sullivan表示，过氧化氢是一种非常有价值绿色氧化剂，它可以分解生成安全无污染的成分。但是目前这些微滴只能自发地产生极少量（百万分之一）的H₂O₂，如果我们能弄清楚如何加速这一过程或进一步提高产量，无论是从实用性或应用的角度来看，都将意义非凡。

小编点评：科学没有所谓的失败，细节和思维决定了科研的深度！这项发现，就是在一个实验中偶然发现。如果是我，我能把握住这个机会吗？可能有无数次，我都曾和这个，那个，科学史上已经或者将要出现的无数个伟大的科学发现擦肩而过！