產(chǎn)氫氣材料是氫氣醫(yī)學(xué)應(yīng)用技術(shù)的一支重要領(lǐng)域，這種方式具有產(chǎn)氫氣持續(xù)時間長，使用條件低，應(yīng)用場景多樣等，其中產(chǎn)氫氣功能食品的效果比較明顯，受到市場的廣泛接受和認(rèn)可?？梢灾谱鳉錃馐秤貌牧现饕腥?，一是氫化鈣，二是氫化鎂或金屬鎂，三是硅金屬材料。這些材料各有特色優(yōu)勢，市場上上述料的產(chǎn)品都已經(jīng)先后出現(xiàn)。但是產(chǎn)氫氣食品的效應(yīng)研究相對比較少，這里我們重點介紹硅金屬材料。美國有一個知名人物非拉肯，曾經(jīng)使用這種材料制作成產(chǎn)氫氣功能食品今日氫元素，10年前曾經(jīng)中國進(jìn)行了市場推廣，但是似乎沒有取得成功。硅和硅氧化物是無毒材料，適合醫(yī)療應(yīng)用。
我們今天給大家介紹一篇來自日本大阪大學(xué)大研究，這一研究開發(fā)了一種利用硅納米顆粒與水在中性pH區(qū)反應(yīng)生成氫氣的方法。核心是采用簡單的球磨法制備硅納米粉體。這種納米硅顆粒即使pH值在中性區(qū)域7.0 - 8.6之間，也會與水反應(yīng)生成氫氣。我的個人理解是，是采用一種常規(guī)納米材料制備方法，把比較大的材料弄成更細(xì)的顆粒，這種顆粒很適合作為食品產(chǎn)氫氣材料。這種材料的特色明顯，一是胃內(nèi)不產(chǎn)氫氣。在酸性環(huán)境不反應(yīng)讓這種材料在胃液內(nèi)可以穩(wěn)定，避免胃內(nèi)大量產(chǎn)氣帶來的胃脹的可能。二是產(chǎn)氫氣持續(xù)時間長。因為和水反應(yīng)速度比較慢，讓這種材料在身體內(nèi)可以長時間釋放氫氣，這對于氫氣這種擴(kuò)散能力極大的物質(zhì)來說，能有效延長氫氣在體內(nèi)的作用時間。三是安全性高。這種材料本身和反應(yīng)產(chǎn)物都沒有毒性，不容易被人體吸收。過去國內(nèi)這類產(chǎn)品比較少見，我最近將增加這個材料的介紹，希望能引起大家的重視。
氫的產(chǎn)生率主要取決于酸堿度，其產(chǎn)氫氣量在8.0-55毫升/克，每克材料產(chǎn)氫相當(dāng)于3升飽和氫水的溶氫氣量。氫氣產(chǎn)生反應(yīng)速率隨著pH值增加而增加，提示這種反應(yīng)依賴氫氧根離子水平。但和假定反應(yīng)消耗氫氧根離子的估計值相比，溶液產(chǎn)氫反應(yīng)后pH值變化微不足道。第一步硅納米顆粒和氫氧根離子反應(yīng)產(chǎn)生氫氣分子、二氧化硅和導(dǎo)帶內(nèi)電子。反應(yīng)產(chǎn)生的電子被水分子吸收，產(chǎn)生氫氣分子和氫氧根離子。產(chǎn)氫速率主要取決于硅納米粉體的晶粒大小，與硅納米粉體的團(tuán)聚體大小無關(guān)。本研究表明，利用硅納米粒子在體內(nèi)產(chǎn)生氫氣以消除引起各種疾病的羥基自由基是可行的。
Kobayashi, Yuki , et al. "Hydrogen generation by reaction of Si nanopowder with neutral water." Journal of Nanoparticle Research 19.5(2017):176.《納米顆粒研究雜志》
氫氣的生物醫(yī)學(xué)效應(yīng)受到越來越多的關(guān)注，研究發(fā)現(xiàn)氫氣或氫水對癌癥、認(rèn)知記憶衰退、帕金森病、糖尿病、阿爾茨海默病、肥胖、特應(yīng)性皮炎、皮膚衰老等多種疾病具有預(yù)防改善效果。硅和二氧化硅對人體都是無毒的，因此納米硅顆粒可用于給人體供氫材料。產(chǎn)生的氫氣被消化道攝取吸收，經(jīng)過肝臟門靜脈后返流到心臟，經(jīng)過循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)入全身所有組織器官。
傳統(tǒng)的氫水制作方法是電解水，這種方法的明顯缺點是需要電解設(shè)備和電源，另一個缺點是氫氣濃度難以維持在高水平。一般飽和氫水濃度只有1.6ppm(采用新型納米氣泡技術(shù)可以顯著改善這一不足)。
多孔硅(porous Si)是一種新型的一維納米光子晶體材料，具有納米硅原子簇為骨架的“量子海綿”狀微結(jié)構(gòu)，可以通過電化學(xué)陽極腐蝕或化學(xué)腐蝕單晶硅而形成。Litvinenko等人(2010)報道，在氨存在情況下，多空硅和水反應(yīng)可產(chǎn)生氫氣。Bahruji等人(2009)已經(jīng)證明，紫外光照射去離子水中的硅納米粒子會產(chǎn)生氫，這是由于硅納米粒子被水氧化而產(chǎn)生的。
Erogbogbo 等(2013)取得了高氫產(chǎn)率的納米硅，這種方法適合于燃料電池技術(shù)，但不能直接用于醫(yī)學(xué)。大版大學(xué)科學(xué)技術(shù)研究院開發(fā)出一種簡單的制備Si納米粉體的方法，使用珠磨法制備的硅納米粒子。
雖然固體硅與水反應(yīng)產(chǎn)氫氣的速度比較慢，但納米硅顆粒很容易與水反應(yīng)，特別是堿性環(huán)境下，如在pH為13時析氫率達(dá)到580 mL/min·g，總析氫量為1.44 L/g。
本研究使用硅納米粉在弱堿性pH7.0-8.6水發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生氫氣，研究顯示這種氫氣劑量能在人體選擇性中和羥基自由基，有可能對糖尿病、血管疾病、神經(jīng)退行性疾病、白內(nèi)障和皮膚老化等疾病和狀況產(chǎn)生改善效果。
用商品化硅粉為原料，采用球磨法制備了硅納米粉體。硅粉為3 N，直徑為0.5微米，購買自Koujundo化學(xué)實驗室。一步法銑削用0.5毫米直徑的氧化鋯珠處理4 小時，或者使用二步法，先用0.5毫米直徑氧化鋯珠處理4小時，然后用0.3毫米直徑氧化鋯珠強(qiáng)化處理4小時。處理后樣品用5 wt %氫氟酸去除氧化硅層。經(jīng)過氫氟酸處理后硅顆粒表面Si -H鍵是疏水的，用硅納米粉體浸泡在乙醇中，使其表面親水性增強(qiáng)，從而促進(jìn)與水的表面反應(yīng)。
實驗結(jié)果
圖1顯示了與超純水反應(yīng)產(chǎn)生的氫氣量與采用一步磨粉法生產(chǎn)的Si納米粉體的反應(yīng)時間(圖b)和圖a)。氫氟酸處理硅納米粉，生成氫體積隨時間迅速增加，6小時反應(yīng)后測量到的氫體積比沒有氫氟酸處理時要高4倍。兩幅圖幾乎與反應(yīng)時間呈線性關(guān)系。
圖2顯示了不同pH值的硅納米粉與水反應(yīng)產(chǎn)生的氫氣體積。生成的氫氣體積pH值8.0(圖b)。當(dāng)pH值增加到8.6氫產(chǎn)生率進(jìn)一步增加了(圖c)。與自來水的反應(yīng)也可以產(chǎn)生氫氣(pH = 7.1 ~ 7.4)(圖d)。胰液pH值在7.6 - 8.9之間，研究結(jié)果提示，口服這種納米硅顆粒，有可能主要在小腸近端腸內(nèi)產(chǎn)生氫氣。
化學(xué)反應(yīng)分兩步，第一步硅和氫氧根反應(yīng)產(chǎn)生二氧化硅和氫氣，并產(chǎn)生電子。第二步是電子和水反應(yīng)在產(chǎn)生氫氧根和氫氣?？偟姆磻?yīng)是硅和二個水反應(yīng)產(chǎn)生二氧化硅和兩個氫氣，氫氧根作用是催化劑。其中第一步是限速步驟，反應(yīng)速度決定于氫氧根濃度，所以這個反應(yīng)需要在堿性環(huán)境下產(chǎn)生。由于這個反應(yīng)不消耗氫離子或氫氧根離子，反應(yīng)不會影響反應(yīng)體系的酸堿度。這和鈣鎂釋氫材料具有不同的特點，氫化鈣或鎂和水反應(yīng)產(chǎn)生氫氣的同時會產(chǎn)生氫氧根，產(chǎn)生堿性。
研究還對這個反應(yīng)的詳細(xì)過程進(jìn)行了更深入檢測和分析探討。也對硅粉和自來水反應(yīng)產(chǎn)生氫氣的過程進(jìn)行了分析。
研究可以清楚地看出硅納米粉體在中性pH區(qū)與水發(fā)生反應(yīng)生成氫氣。由于納米硅及其氧化物二氧化硅無毒，因此納米硅可在人體內(nèi)產(chǎn)生氫氣，使用這種材料作為食品添加物能作為提供供氫的方法。在pH較低(胃液pH為1.5 ~ 2.0)的胃中硅材料不會發(fā)生反應(yīng)，而在小腸中分泌了pH介于7.5- 8.8的胰液，硅材料能和水發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生氫氣。
本研究證明，即使pH值在7.0 - 8.6之間，納米硅顆粒也會與水發(fā)生反應(yīng)，生成氫。產(chǎn)氫速率隨pH值的增大而增大，但與消耗氫氧根離子的產(chǎn)氫反應(yīng)后pH值的變化相比，可以忽略不計。硅材料表面反應(yīng)是速率決定步驟，直到形成單層Si-O鍵，然后氫氧根離子通過氧化層的遷移成為速率決定步驟。當(dāng)硅納米顆粒上的二氧化硅層厚度達(dá)到4.8 nm時，硅納米顆粒產(chǎn)生氫氣的反應(yīng)停止。反應(yīng)速率很大程度上取決于晶體的大小，而不是硅納米粉體團(tuán)聚體的大小。
以上內(nèi)容摘自《孫學(xué)軍 氫思語》，僅限于知識科普，不代表對本公司產(chǎn)品的宣傳。
