普通的水，竟能自己变成双氧水？斯坦福教授争议研究添加新证据

▎药明康德内容团队编辑

2019年，斯坦福大学Richard Zare教授团队在《美国科学院院刊》（PNAS）上发表了一项离经叛道的发现：再普通不过的水，竟然可以自发生成过氧化氢。

过氧化氢（H2O2）我们都不陌生，其水溶液（双氧水）是一种生活中常见的消毒剂。我们知道，过氧化氢 在催化剂（例如二氧化锰）的协助下可以分解 成水和氧 气。 但 要 将 这 个反应反过来，就几乎是天方夜谭了。 要工业制备这种氧化性物质，需要 其他无机或有机试剂，或是借助电解水解。

但在一系列研究中，Zare教授提出，将水雾化成直径1~20微米的液滴，就能自发生成过氧化氢。水滴直径在20微米时，就能检测到微摩尔浓度的过氧化氢；微滴越小，生成的过氧化氢越多。这些过氧化氢微滴同样可以起到有效杀菌的作用。

▲Richard Zare教授提出，水的微滴可以自发生成过氧化氢（图片来源：L.A. Cicero/Stanford University）

对于这个反应出现的原因，研究团队的猜想是：接近水的微滴表面的空气中存在强电场，使得两个羟基可以结合形成过氧化氢。

▲喷洒水的微滴时，用于检测过氧化氢的试纸变色（图片来源：Jae Kyoo Lee and Hyun Soo Han）

然而，这个想法在提出之后，很快就遭到了其他科学家的质疑。毕竟，这个反应实在是有些离奇，而且对于反应机制，Zare教授等人也没有足够清晰的解释。

在质疑的声音中，阿卜杜拉国王科技大学的Himanshu Mishra教授等人就提出了其他的解释。他们在重复这项实验时发现，只有当周围空气中存在臭氧时，过氧化氢才会产生。也就是说，过氧化氢的产生并不是水自发的反应，而是臭氧分解的结果。Mishra教授猜测，斯坦福大学所处的加利福尼亚州大气臭氧水平较高，从而导致了开头所述的实验结果。

此外，另一种可能的解释是：在紫外线的作用下，水中本身就含有纳摩尔浓度的过氧化氢。虽然含量极低，但在水的雾化过程中，由于水分子比过氧化氢更易蒸发，因此过氧化氢的浓度可以逐渐提升至微摩尔量级。

对于其他科学家给出了候选答案，Zare教授团队又展开了新的研究。最近，他们的又一篇论文刊登在PNAS杂志上。这项研究阐述了水自发生成过氧化氢的机制，并且得出了新的结论：臭氧分解等反应的确可以产生部分过氧化氢，但除此之外，仍有少量过氧化氢是水自发反应的产物。

在最新研究中，来自斯坦福的团队将纯水微滴转化成过氧化氢的机制，归因为接触起电效应：雾化形成的微滴撞击固体表面时，电荷会在固体与液体之间跳跃，形成不稳定的活性氧簇。其中，两个羟基自由基结合，就能形成一个过氧化氢分子。

进一步的分析指出，这个反应可以发生于潮湿的环境中。在自然条件下，雾、霾、雨滴中都能通过这个过程生成过氧化氢。研究也承认，多数过氧化氢都是由臭氧分解等其他过程生成的，但同位素标记研究证实，水微滴自发形成的过氧化氢同样占据了一定的比例。

▲实验中，二氧化硅基质表面形成过氧化氢（图片来源：参考资料[1]）

可以想象，在这项研究发布之后，科学界又将迎来新一轮的争论。在其他团队的重复实验中，这个结论将得到进一步的印证，或是再次遭受质疑。

不过在此之前，Zare教授已经根据这个结论，做出了一个更加大胆的猜想：冬季呼吸道传染病（例如流感）更为高发，在一定程度上正是因为这个自发生成过氧化氢的反应。

Zare教授指出，夏季室内空气中的湿度更高，因此微滴中的活性氧簇有更多的时间杀死空气中的病毒。相反，冬季干燥的条件下，微滴在实现消毒作用之前就已经蒸发掉了。因此，在对流感等疾病季节波动的理解中，空气中过氧化氢的缺失成为一项被忽略的因素。

在现阶段，Zare教授的观点是否正确还没有定论。不过可以确定的是，对于再常见不过的H2O，还有大量奇妙的特性等待着人们去破解。

参考资料：

[1] B.L. Chen et al., Water–solid contact electrification causes hydrogen peroxide production from hydroxyl radical recombination in sprayed microdroplets. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. (2022). https://doi.org/10.1073/pnas.2209056119

[2] J. K. Lee et al., Spontaneous generation of hydrogen peroxide from aqueous microdroplets. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. (2019). https://doi.org/10.1073/pnas.1911883116

[3] New Stanford research reveals the chemical underpinnings of how benign water can transform into harsh hydrogen peroxide. Retrieved Aug. 1st, 2022 from https://news.stanford.edu/2022/08/01/benign-water-transforms-harsh-hydrogen-peroxide/

[4] Stanford chemists discover water microdroplets spontaneously produce hydrogen peroxide. Retrieved Aug. 26th, 2019 from https://news.stanford.edu/2019/08/26/water-droplets-spontaneously-produce-hydrogen-peroxide/

[5] Claims of water turning into hydrogen peroxide spark debate. Retrieved Mar. 16th, 2022 from https://cen.acs.org/research-integrity/reproducibility/Claims-water-turning-hydrogen-peroxide/100/web/2022/05

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