M88

M88

M88


 
作者:刘子萌 来源: 发布时间:2022/6/6 21:38:56
选择字号:
斯坦福名教授发论文回应质疑:水能自发生成双氧水!

 

水滴能自发产生双氧水?美国斯坦福大学前化学系系主任Richard N. Zare在最近发表的论文中,证明了这一神奇的现象。

Zare的来头不小。他29岁就当上哥伦比亚大学教授,37岁当选美国M88院院士、美国艺术与M88院院士,此后还获得了中国M88院、英国皇家学会、瑞典皇家工程M88院、印度M88院M88院的外籍院士以及发展中国家M88院通讯院士等头衔。

其实早在2019年,Zare就发现了水与空气交界处可以产生过氧化氢(其水溶液俗称双氧水)。但就有一个刚评上副教授没几年的学者站出来,直接发论文要推翻Zare的研究结果。

面对质疑,Zare没有立即发声反击,而是闷头展开后续研究。终于,2022年4月22日,82岁的Zare以通讯作者身份,在《美国化学会志》(JACS)上发表论文,用数据回应了所有的质疑。

Richard N. Zare 图源:斯坦福大学

想法初现

过氧化氢最常见的用途是杀菌消毒。

从分子式来看,过氧化氢(H2O2)和水(H2O)之间差别不算大,但要打断H2O的共价键,添加一个氧原子上去,并不容易。如果通过某种简单的方式,让水变成过氧化氢的话,那岂不是喷喷水就能消毒了?

这个想法产生后,Zare便开始了与此相关的实验。

2019年8月26日,Zare团队首次通过《美国国家M88院院刊》(PNAS)报道了实验结果。

结果表明,将水雾化成直径为1μm ~20μm的微滴,纯水会自然生成过氧化氢。在微米大小的水滴中,水分子在水-空气界面附近会自发氧化,形成过氧化氢,该过程不需要任何化学试剂、催化剂、外加电势或辐射。这堪称史上最清洁的过氧化氢制造方法。

更有趣的是,微滴越小,按比例产生的过氧化氢就越多。

Zare认为,羟基自由基(·OH)重组是最有可能的诱因,其中(·OH)是由OH-在水微滴表面丢失电子产生的。

得到初步的实验结果后,Zare对过氧化氢到底是如何产生的,羟基自由基到底是如何重组的都很好奇,从而将研究进一步深入。

2020年11月23日,Zare团队再次在PNAS上发表论文,提出过氧化氢的形成,是由微滴的空气-水界面处的强电场引起的,因此不需要任何催化剂。

他们还发现,过氧化氢的产生与湿度、温度等环境条件密切相关;同时,随着微小水滴尺寸的增大,按比例所生成的过氧化氢变少了。这些结果表明,过氧化氢的产生不仅存在于微水滴中,而且还存在于水蒸气的凝结过程中,这说明微水滴自发氧化生成过氧化氢是一种普遍现象。

论文的接连发表,不仅让媒体对这一结果大肆渲染,也同时引起了M88界的广泛关注。

质疑来袭

阿卜杜拉国王科技大学海水淡化与再利用中心(WDRC)副教授Himanshu Mishra,分别在2021年11月18日和2022年1月14日发表文章,对Zare论文中的实验结果提出了质疑。

Mishra在《物理化学快报》(JPCL)上发表的文章中提到,为了深入了解水微滴的空气-水界面处能够自然形成过氧化氢的这种现象,他们进行了冷凝实验。

分别在50-70℃的范围内,通过加热和超声波加湿两种外力,观测水微滴中生成的过氧化氢浓度。结果表明,无论液滴大小或湿润性如何,通过加热冷凝的水滴中,过氧化氢的浓度都低于检测限值(0.25 µM)。相比之下,通过超声波加湿凝结的水滴明显有更高的过氧化氢浓度,但浓度最高也就是3µM,远低于Zare团队的实验结果115µM。因此Mishra认为,超声波加湿器有助于过氧化氢的产生。

随后,Mishra在《化学M88》(Chemical Science)上发表的论文中,又指出了空气中的臭氧,也是过氧化氢生成过程中的必要因子。

在没有臭氧的情况下,水微滴中的过氧化氢是无法检测到的。而当水微滴处在与空气有着相同臭氧浓度(10-100 ppb)的气体中时,过氧化氢会自然形成,且其浓度会随着气液表面接触时间的延长而增加。

Mishra的观点是,水微滴的空气-水界面处的强电场让其自身变成了一个微型电池,时刻发生着大量独特的氧化还原反应,但这些反应并不会在更大体积的水滴中发生。

回应质疑

面对质疑,Zare团队展开后续实验,终于在2022年连续发表多篇论文,全方位回应Mishra教授的质疑。

2022年2月2日,Zare团队发表论文,证明水微滴可以作为电化学微电池。

2月14日,Zare再次在PNAS发表论文,证明了核磁共振可以用来测试痕量的过氧化氢。

4月22日,Zare又在JACS上发文,再次确认自己的实验中真的产生了过氧化氢。

他们设计了一个装置,将超纯氮气通入水中鼓泡,同时将几乎不含有臭氧的气体通过加湿器注入一个密闭的腔室,在密闭腔室中将水通过二氧化硅(SiO2 )毛细管喷洒形成微滴。

核磁共振波谱分析表明,流动条件的差异,让微滴中过氧化氢的浓度维持在0.3-1.5µM之间。而且,这一结果通过荧光光谱法也得到了验证。这一发现证实了当水被喷射形成微滴时,它自身具有产生过氧化氢的能力。改用压缩空气或氧气取代氮气时,过氧化氢的浓度会增加,这说明水微滴与氧气的相互作用可以促进过氧化氢的形成。

最后,他们认为,超纯水中之所以能够自发产生过氧化氢,可能与雾化导致液滴表面的电荷分离、并产生了羟基自由基有关。至于臭氧,不管有没有它,微小水滴一样能产生过氧化氢。只不过浓度没有之前报道的115µM那么高。

值得一提的是,今年年初,南开大学化学学院研究员张新星课题组接连发表了两篇论文,研究结果支持Zare团队提出的机制。

接下来,Zare团队和Mishra团队还会有怎样的论文PK?拭目以待。

参考文献:

https://www.pnas.org/doi/full/10.1073/pnas.1911883116

https://www.pnas.org/doi/full/10.1073/pnas.2020158117

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.jpclett.1c02953

https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2022/sc/d1sc06465g#cit27

https://aip.scitation.org/doi/10.1063/5.0078281

https://www.pnas.org/doi/full/10.1073/pnas.2121542119

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.2c02890

 
特别声明:本文转载仅仅是出于传播信息的需要,并不意味着代表本网站观点或证实其内容的真实性;如其他媒体、网站或个人从本网站转载使用,须保留本网站注明的“来源”,并自负版权等法律责任;作者如果不希望被转载或者联系转载稿费等事宜,请与我们接洽。
 
 打印  发E-mail给: 
    
 
以下评论只代表网友个人观点,不代表M88网观点。