告别氧气瓶，带上超便携储氧设备去潜水

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近日，南丹麦大学的研究者们合成了一种新的晶体材料，可以结合并存储高浓度的氧气，然后在需要时释放存储的氧气。相关研究论文发表在《化学科学》（Chemical Science）上。
. E$ q1 c7 y* h, O! j! _4 T南丹麦大学物理、化学和药学系的克里斯汀·麦肯齐（Christine McKenzie）教授及博士后乔纳斯·桑德博格（Jonas Sundberg）完成了材料的设计与合成，他们在悉尼大学的同事则参与完成了需要特殊测量仪器进行的气体吸收测量工作。一桶（10升）这样的材料就足可以吸附一个房间内的所有氧气了。
1 Z0 |6 F6 _5 S4 V9 q在大多数情况下，空气中21%的氧气浓度就足够我们呼吸了。但有时我们需要更高浓度的氧气：例如肺病癌患者必须携带沉重的氧气瓶，汽车燃料电池也需要可控的氧气供应。也许在今后，太阳能驱动的“可逆”燃料电池也将问世，这些设备需要我们把氧和氢分离开，然后再混合它们来产生能量。
“在实验室中，我们观察到了这种该材料如何从我们周围的空气中吸附氧气。”麦肯齐介绍说。这种新材料是一种晶体，利用X射线衍射技术，研究者观察了其充满或者完全释放氧气后，材料内部原子的排列情况。
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克里斯汀·麦肯齐（中）和同事们。图片来源：University of Southern Denmark

“尽管它是通过选择性化学吸附来结合氧气的，但反应过程并不是不可逆的。这种材料既是一个氧感受器，也是一个氧存储器，我们可以利用它结合、存储并运输氧气，就像一个结实的人工血红蛋白。”麦肯齐说，“另一件有趣的事是，这种材料能够多次吸收和释放氧，而不影响性能。就如同把一块海绵放入水中，再把水挤出来，这个过程可以反复多次。”
一旦该材料吸附氧气后，氧气可以一直存储在材料中，到需要的时候再释放出来。需要释放氧气时，可以缓慢加热材料，或者把它放在低氧分压的环境中。“当我们对材料进行加热，或者将其放置在真空中时，它会把氧气释放出来。我们现在想知道光是否也可以让该材料释放出氧气。如果可以，将会在人工光合作用领域具有很好的应用前景。”麦肯齐说。
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通过对储存了氧气的材料进行加热，材料所吸附的氧气就会被释放出来。图片来源：University of Southern Denmark

该新材料的关键部分是结合在一种特殊有机分子上的钴元素。麦肯齐指出：“钴使得新材料具有了能够从周围环境吸附氧气得的分子和电子结构。这种机理在需氧生物身上研究得很透彻：人类和很多其他生物通过铁元素进行呼吸，而其它动物，例如螃蟹和蜘蛛，则是依靠铜元素。少量的金属元素对氧气的吸附很重要，因此实际上，我们对于钴元素在新材料吸氧过程中所发挥的作用也并不感到惊奇。”
( Q3 ]2 @- F5 M5 T) ^* O根据大气的氧含量、温度和压力等因素，该材料吸附其周围氧气所需要的时间从几秒、几分钟、几小时到几天不等。不同形态的材料吸附氧气的速度也不同。正因为如此，人们可以有针对性地设计材料，以满足不同环境下，吸附和/或释放氧的需要。比如，把这种材料按照特定的顺序安装在面罩上，或许就可以在没有气泵或高压设备的情况下，让佩戴者直接获取空气中的氧气了。“这种材料在氧饱和的条件下可以与加压后的纯氧气瓶相媲美——而且它存储的氧气是氧气瓶的三倍。”麦肯齐说，“这点对于需要携带沉重氧气瓶的肺病患者来说可能很有价值。同样，潜水员也可以用这种材料替代氧气瓶，只需带一点儿这种材料就可以进行潜水了。”
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