我國科研團隊實現常溫氫氣異裂

人民網北京9月8日電 （記者趙竹青）記者從中國科學院獲悉，近日，中國科學院大連化學物理研究所王峰研究員團隊聯合意大利的里雅斯特大學Paolo Fornasiero教授等人在光催化氫氣異裂領域取得新進展，發展了光催化策略，實現了常溫氫氣異裂。相關成果于北京時間9月5日發表在《科學》(Science)上。

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到至少一步加氫反應。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并減少副反應。然而，氫氣異裂通常需要較高的溫度和壓力，消耗大量能源并增加安全風險。如何在常溫條件下實現氫氣高效異裂成為科學家們探索的目標。

本工作中，團隊突破了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，以此實現常溫條件下氫氣異裂。

團隊以金/二氧化鈦（Au/TiO2）為模型催化劑，通過紫外光激發二氧化鈦（TiO2）能夠使產生的電子遷移到金（Au）納米顆粒上而被束縛。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隨著光強增強而線性增加。

隨后，團隊用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，發現產生的氫物種可以在常溫下把惰性的二氧化碳全部轉化，產物只有乙烷，再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，乙烯收率>99%，催化劑可以穩定運行超過1500小時不失活。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%。

王峰表示：“以氫氣和二氧化碳為原料，制備乙烷、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。”他補充道，“未來，我們也將深入進行反應工藝研究，希望以此為基礎，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。”