从催化剂研究看氢气作用机理

催化剂能催化化学反应，但自身不会改变的物质。催化反应常见核心问题是辅助电子转移和反应物接触，其中电子转移主要是利用过渡金属元素的协助，氢气作为一种独特的物质，是否能在催化反应中发挥独特作用，值得研究和考虑。进一步推测，在生物体系中，电子传递也普遍存在，酶催化也是基本反应模式，那么氢气是否会影响和干扰电子传递过程，如果能产生这种作用，或许就是我们一直希望了解的氢气发挥作用的关键模式。2015年，英国学者发现氢气可以在动物体内被大量消耗，这说明氢气的生物利用率非常高，如果没有酶催化协助，氢气在浓度低，体温条件的身体内，发生化学反应降解的可能性几乎为零。这一可观变化一定隐藏着氢气生物学效应的巨大秘密。

重要进展：欧洲科学家证明氢气抗氧化作用远超预期

个人认为，氢气应该是一种蛋白酶活性调节剂，这种调节方式是与一些金属离子形成互动调节，提高或降低酶活性。因此应该开展氢气对各种酶活性直接调节作用的研究，或许能找到氢气作用的目标分子。氢气对酶活性的调节作用可能具有广谱性、温和性和优化性特征。活性调节剂其实也广泛存在，例如氧化还原状态、温度、酸碱度和渗透压都可以属于广泛的酶活性调节剂。氢气只不过是一种过去没有被认识到的方式。

1794年，苏格兰化学家伊丽莎白·富勒姆在她的书中，写过关于燃烧的内容。她注意到一个奇怪现象，碳或煤在潮湿情况下燃烧更容易。经过反复实验，她确认这一现象并得出结论，认为水能在高温下分解为氢气和氧气，氢气氧气和其他物质发生反应，能促进燃烧反应，但会再次形成等量的水。也就是说，水参与了反应，但总量没有改变。科学历史学家认为，这是催化剂科学描述，催化剂是能促进化学反应，但本身不被消耗的材料。加州大学圣巴巴拉分校苏珊娜·斯科特说，没有催化剂就没有现代化学，催化剂作用非常强大，不仅是化学反应的条件，而且能决定化学反应的方向和方式。

90%的工业化学过程使用催化剂，在能源、石化、药物和化肥等产品生产过程更为重要。至少15个诺贝尔化学奖是颁发给催化剂研究，世界上仍然有千万名化学家正在努力发明和优化催化剂。使用催化剂的目的是获得精确可控的反应、减少反应步骤和节约能源资源，这是化学工业可持续性的必然要求，也有利于解决日益严峻的异常气候和环境污染问题。催化剂是“绿色化学”的一个重要特征和实现途径。催化剂也是解决能源危机的重要依据，是使用比传统化石燃料更惰性也更清洁能源的基本手段。例如利用催化剂更容易地把水分解为氢气和氧气，高效利用生物原料和二氧化碳。密歇根大学化学家梅兰妮·桑福德认为，这些模式在思路和技术上都已经接近成熟。

这些需求极大地推动着催化剂的创新研究，催化剂方面学术论文在过去十年增加了2倍。许多小组正在发明小分子复合物催化剂，或对蛋白分子进行化学裁剪寻找具有新催化活性的酶。也有研究小组采用纳米技术，在原子尺度设计固体催化剂。也有研究小组正尝试光催化剂，或者借助DNA双螺旋结构。创新高速度发展也给这个领域的学者带来很大压力。美国能源部为新催化剂性能建立基准的负责人斯科特说，必须努力确保在推进科学进步方面的很高效率。

加州大学博客里分校化学家John Hartwig说，20年前这个领域没有人能对复杂分子进行精细改造操作，大家都是先把复杂结构拆散，然后再进行组装。但是现在不同了，化学家能对分子的一部分进行精细编辑。

催化剂就像反应和产物之间的快捷方式，让化学反应绕过许多途径，加快反应速度。催化剂就好像两个地点之间的多车道高速公路，或者是一种高效反应分子混合器。