我國科學家實現常温氫氣異裂

據中國科學院微信公眾號9月5日消息，近日，中國科學院大連化學物理研究所團隊等在光催化氫氣異裂領域取得新進展，發展了光催化策略，實現了常温氫氣異裂。

加氫反應的重要性和現狀

加氫反應是化學工業中的重要反應之一，大約四分之一的化工反應過程都涉及至少一步加氫反應。加氫反應的核心步驟之一是氫氣活化，包括均裂和異裂兩種機制。

其中，氫氣異裂產生極性的氫物種，具有反應活性高、對極性官能團選擇性加氫的特點，使得許多重要化工產品的生成速率提高並減少副反應。

然而，氫氣異裂通常需要較高的温度和壓力，消耗大量能源、增加安全風險。如何在常温條件下實現氫氣高效異裂成為科研人員探索的目標。

突破驗證新理論

研究團隊突破此前發展的光生電子和空穴“單獨”引發半反應的光催化轉化方式，提出利用光生電子和空穴構建空間鄰近正負電荷中心，通過電子-空穴對實現常温條件下氫氣異裂。

研究團隊以金/二氧化鈦（Au/TiO2）為模型催化劑，發現紫外光激發二氧化鈦（TiO2）後，產生的電子會遷移到金（Au）納米顆粒上並被其束縛。同時，Au納米顆粒和TiO2的界面存在Au-O-Ti組成的缺陷態，光生空穴會在界面處被捕獲。此時，空穴和電子分別在界面Au-O-Ti和金納米顆粒上，從而形成了空間鄰近的束縛態電子-空穴對。因此，當束縛態電子-空穴對機制主導氫氣異裂時，Au/TiO2催化氫氣異裂的活性會隨着光強增強而線性增加。

▲提出的空間近鄰光生電子-空穴對的產生機制。（左）氫氣異裂活性（以H/D交換實驗的HD產生速率表示）與光強的關係。（右）

研究團隊進一步通過惰性的二氧化碳還原反應驗證了這種光誘導氫氣異裂的優勢。研究發現，在常温條件下，產生的氫物種可以把惰性的二氧化碳全部轉化，產物只有乙烷。

通過串聯乙烷轉化為乙烯的裝置，可以把二氧化碳還原為乙烯。研究顯示，該催化體系能夠高效地將二氧化碳還原為乙烯，乙烯吸收率超過99%，催化劑可以穩定運行超過1500小時不失活。

▲常温氫氣異裂示意圖

為加氫升級轉化提供新模式

該光催化氫氣異裂的方式可以拓展至金/氮摻雜氧化態（Au/N-TiO2）、金/氧化鈰（Au/CeO2）和金/釩酸鉍（Au/BiVO4）等光催化劑，還可以利用太陽光實現二氧化碳加氫制乙烷，選擇性達90%。

以氫氣和二氧化碳為原料，製備乙烷、乙烯等高附加值產品，能夠大幅降低傳統加氫過程的能耗，減少二氧化碳排放，助力碳資源優化利用。

未來，研究團隊將深入進行反應工藝研究，並以此為基礎，發展出光與光熱耦合的工業化技術路徑，為現代煤化工的升級轉型提供新模式。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1126/science.adq3445