讓氫氣“更聽話”！科學家在光催化氫氣異裂領域取得新進展
更新時間：2025/9/8 10:39:02 來源：新華社
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氫氣是改變很多“頑固分子”的關鍵鑰匙之一，它可以把空氣中的主要成分氮氣轉化為化肥，把溫室氣體二氧化碳轉化成汽油……然而，氫氣的兩個氫原子就像一對“緊密相擁的情侶”，常溫下想讓它們“分手”困難重重。
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保羅·福爾納謝羅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，實現了常溫條件下氫氣異裂。相關成果于9月5日發表在《科學》雜志上。
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。“均裂和異裂是氫氣‘分手’的兩種形式，一種是和平分手——兩個氫原子各帶走一個電子，公平且友好；另一種則是不公平分手——一個氫原子帶走全部電子，另一個則一無所有。”王峰說。
正是這場不公平的“分手”產生了富電子的氫原子，氫氣異裂能夠產生極性的氫物種，可有效提高重要化工產品的生成速率并減少副反應。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。
研究中，團隊突破了光生電子和空穴“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。
“我們長期致力于光催化研究，當光照射到催化劑時，會誘導產生正電荷和負電荷，但此前，并沒有研究將光催化研究和氫氣異裂建立關聯。”中國科學院大連化學物理研究所副研究員羅能超說，團隊以金/二氧化鈦為模型催化劑，通過紫外光激發二氧化鈦，使其產生的電子遷移到金納米顆粒上而被束縛。同時，光生空穴會在催化劑界面處被捕獲，從而形成了空間鄰近的束縛態電子-空穴對，進而可隨著紫外光增強而不斷提高氫氣異裂效率。
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，可以把二氧化碳近乎完全還原為乙烯，催化劑可以穩定運行超過1500小時不失活。
“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。”王峰說，“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。”
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氫氣是改變很多“頑固分子”的關鍵鑰匙之一，它可以把空氣中的主要成分氮氣轉化為化肥，把溫室氣體二氧化碳轉化成汽油……然而，氫氣的兩個氫原子就像一對“緊密相擁的情侶”，常溫下想讓它們“分手”困難重重。
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保羅·福爾納謝羅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，實現了常溫條件下氫氣異裂。相關成果于9月5日發表在《科學》雜志上。
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。“均裂和異裂是氫氣‘分手’的兩種形式，一種是和平分手——兩個氫原子各帶走一個電子，公平且友好；另一種則是不公平分手——一個氫原子帶走全部電子，另一個則一無所有。”王峰說。
正是這場不公平的“分手”產生了富電子的氫原子，氫氣異裂能夠產生極性的氫物種，可有效提高重要化工產品的生成速率并減少副反應。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。
研究中，團隊突破了光生電子和空穴“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。
“我們長期致力于光催化研究，當光照射到催化劑時，會誘導產生正電荷和負電荷，但此前，并沒有研究將光催化研究和氫氣異裂建立關聯。”中國科學院大連化學物理研究所副研究員羅能超說，團隊以金/二氧化鈦為模型催化劑，通過紫外光激發二氧化鈦，使其產生的電子遷移到金納米顆粒上而被束縛。同時，光生空穴會在催化劑界面處被捕獲，從而形成了空間鄰近的束縛態電子-空穴對，進而可隨著紫外光增強而不斷提高氫氣異裂效率。
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，可以把二氧化碳近乎完全還原為乙烯，催化劑可以穩定運行超過1500小時不失活。
“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。”王峰說，“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。”
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