我国科学家实现常温氢气异裂 | 科技前线

近日，中国科学院大连化学物理研究所团队等在光催化氢气异裂领域取得新进展，发展了光催化策略，实现了常温氢气异裂。

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加氢反应的重要性和现状

加氢反应是化学工业中的重要反应之一，大约四分之一的化工反应过程都涉及至少一步加氢反应。加氢反应的核心步骤之一是氢气活化，包括均裂和异裂两种机制。

其中，氢气异裂产生极性的氢物种，具有反应活性高、对极性官能团选择性加氢的特点，使得许多重要化工产品的生成速率提高并减少副反应。

然而，氢气异裂通常需要较高的温度和压力，消耗大量能源、增加安全风险。如何在常温条件下实现氢气高效异裂成为科研人员探索的目标。

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突破验证新理论

研究团队突破此前发展的光生电子和空穴“单独”引发半反应的光催化转化方式，提出利用光生电子和空穴构建空间邻近正负电荷中心，通过电子-空穴对实现常温条件下氢气异裂。

研究团队以金/二氧化钛（Au/TiO2）为模型催化剂，发现紫外光激发二氧化钛（TiO2）后，产生的电子会迁移到金（Au）纳米颗粒上并被其束缚。同时，Au纳米颗粒和TiO2的界面存在Au-O-Ti组成的缺陷态，光生空穴会在界面处被捕获。此时，空穴和电子分别在界面Au-O-Ti和金纳米颗粒上，从而形成了空间邻近的束缚态电子-空穴对。因此，当束缚态电子-空穴对机制主导氢气异裂时，Au/TiO2催化氢气异裂的活性会随着光强增强而线性增加。

▲提出的空间近邻光生电子-空穴对的产生机制。（左）氢气异裂活性（以H/D交换实验的HD产生速率表示）与光强的关系。（右）

研究团队进一步通过惰性的二氧化碳还原反应验证了这种光诱导氢气异裂的优势。研究发现，在常温条件下，产生的氢物种可以把惰性的二氧化碳全部转化，产物只有乙烷。

通过串联乙烷转化为乙烯的装置，可以把二氧化碳还原为乙烯。研究显示，该催化体系能够高效地将二氧化碳还原为乙烯，乙烯吸收率超过99%，催化剂可以稳定运行超过1500小时不失活。

▲常温氢气异裂示意图

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为加氢升级转化提供新模式

该光催化氢气异裂的方式可以拓展至金/氮掺杂氧化态（Au/N-TiO2）、金/氧化铈（Au/CeO2）和金/钒酸铋（Au/BiVO4）等光催化剂，还可以利用太阳光实现二氧化碳加氢制乙烷，选择性达90%。

以氢气和二氧化碳为原料，制备乙烷、乙烯等高附加值产品，能够大幅降低传统加氢过程的能耗，减少二氧化碳排放，助力碳资源优化利用。

未来，研究团队将深入进行反应工艺研究，并以此为基础，发展出光与光热耦合的工业化技术路径，为现代煤化工的升级转型提供新模式。

论文链接：

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

来源：中国科学院大连化学物理研究所

责任编辑：曹旸