中国科学家用光“拆”氢气分子，可稳定运行1500小时

在化学世界里，氢气是改变很多“顽固分子”的关键角色之一：它可以把空气中的主要成分氮气转化为化肥，解决农作物生长的营养供给问题；可以把温室气体二氧化碳转化成汽油，让温室气体“变废为宝”……

但想让氢气与其他分子反应，首先要让氢气的两个氢原子“分道扬镳”。不过难题在于：氢气分子就像一对紧紧相拥的恋人，它们共享电子形成化学键，因此异常牢固。

“紧紧相拥”的氢分子“恋人”

（图片来源：自制）

氢气的“不公平分手”

从微观粒子的角度看，氢气“分手”的形式有两种，一种是“和平分手”——两个氢原子各带走一个电子，公平且友好，叫做均裂；另一种则是“不公平分手”——一个氢原子带走全部电子，另一个则一无所有，叫做异裂

氢原子的“和平分手”——均裂

（图片来源：自制）

氢原子的“不公平分手”——异裂

（图片来源：自制）

有趣的是，正是异裂这种“不公平分手”产生了富电子的氢物种（氢物种通常指的是氢元素以不同形态存在的各种形式，包括氢原子、质子和氢负离子等），它们具有非常强的反应能力，能够与多种物质发生反应。但在传统反应方式中，想要制造一场“不公平分手”可不容易，需要高温高压的苛刻条件，消耗大量能源。

近日，中国科学院大连化学物理研究所王峰研究员团队等和意大利的里雅斯特大学Paolo Fornasiero教授团队合作，找到了一种新的策略，让光成为“分子开锁匠”，能够更加轻松地促成氢气的这场“不公平分手”，相关成果发布在国际期刊《科学》（Science）上。

氢气异裂的核心是各产生一个带正电和带负电的氢物种中心，因此，通过异裂的方式“解锁”氢氢键的“钥匙”必须必须能与异裂后的氢物种中心相匹配，即自身也需要具备正负电荷中心。所以，寻找氢气异裂的突破口在于设计能够同时提供稳定正、负电荷中心的体系。

来自光的“开锁”灵感

如何才能构建出正负电荷中心？我们（中国科学院大连化学物理研究所研究团队）从太阳光中获得了解决难题的灵感。当光激发半导体时，电子吸收光子的能量会“离开”原来的位置，在其原先的位置留下一个带正电的“空位”，这就同时产生了带负电的电子和带正电的空穴——这不正是氢气“不公平分手”想要打造的正负电荷中心吗？

空间临近正负电荷对

（图片来源：自制）

然而，问题并非如此简单。想要开锁，不仅锁孔的“性状（性质和形状）”要和钥匙匹配，两个锁孔之间的距离也要与钥匙匹配才行。因此，光生电子和空穴需要被控制在非常接近的空间内（氢氢键的距离，亚纳米尺度），才能产生足以驱动氢氢键异裂的不均匀电荷环境。可是当距离过近时，电子和空穴又会因为正负电荷相吸而重新结合，正负电荷中心也就随之消失。

电子和空穴容易因距离过近而重新结合

（图片来源：自制）

巧用“陷阱”：困住电子与空穴

要让电子和空穴不发生复合，一个巧妙的策略是将它们分别束缚在空间邻近的不同位点上，相当于将它们各自困在独立的“陷阱”中。电子和空穴若要复合，必须先获得额外的能量“跳出”各自的陷阱，这样就可以延长电子和空穴的“寿命”，为驱动氢氢键异裂创造可能。

将电子和空穴困在独立的“陷阱”中

（图片来源：自制）

近年来，科学家们已经成功在一些光电材料上捕捉到了困住电子或空穴的陷阱。然而，这些陷阱都是单侧的，没有被困住的一方则处于游离状态，不仅有效浓度（电荷密度）较低，还使得电子与空穴难以稳定地维持在极近的空间距离内，无法满足高效驱动氢氢键异裂所必需的要求。

通过已有的研究我们知道，在经典的二氧化钛半导体上负载金纳米颗粒后，半导体受到光激发产生的电子会转移到金纳米颗粒上，在此处形成一个电子中心，即负电荷中心。并且在纳米颗粒和半导体交界处有一个能量的“小山坡”，这样电子就不容易翻过这个山坡，从而达到把电子“困”在金纳米颗粒上的效果。

光催化过程产生电子，必然会同时产生空穴。一般观点认为，这个空穴会在二氧化钛半导体上，和电子中心的距离比较远。但也有科学家通过理论研究推测，在纳米颗粒和半导体的界面处应该会存在“陷阱”，容易富集空穴。

二氧化钛半导体上负载金纳米颗粒后收到光激发会形成正负电荷中心

（图片来源：自制）

所以，首先要通过实验验证空穴的位置！

由于空穴是带正电荷的，它能够和低价的金属离子反应，因此，低价金属离子就如同是空穴的“成像剂”——在电子显微镜下找到金属离子的位置，就能够反映空穴所在的位置。经过深度研判和不懈寻找，我们最终在半导体与纳米颗粒的交界面找到了捕获空穴的“陷阱”，有效地阻止了正负电荷的复合，确保正负电荷中心的稳定存在。

给氢氢键解锁的“钥匙”造好了，但是研究并没有止步于此。我们发现，二氧化钛和金纳米颗粒界面处“自然”存在的“钥匙”太少，这会导致异裂效率低下。于是，我们让二氧化钛半导体包覆在金纳米颗粒上，相当于给这些纳米颗粒“穿”了一层半导体“外衣”，大幅增加了二者的界面交界位点数。实验证明，这种改良使光诱导氢气异裂的活性增加了7.7倍。

光产生的电子-空穴诱导氢气发生异裂

（图片来源：由科研团队提供）

我们还通过实验验证了这种光诱导氢气异裂的优势：利用金-二氧化钛复合材料，通过两步反应将不易发生反应的二氧化碳近乎完全的转化为乙烯，且系统可稳定运行1500小时以上。另外，我们通过进一步的研究证明，该系统在自然太阳光下同样能高效转化二氧化碳。

优化加氢反应，推动绿色工业发展

这种光诱导氢气异裂的方式，基本只依赖于光生电荷的产生，相对来说反应更容易被调控，也更加温和，具有广阔的应用前景及价值。

首先，这种创新的氢气解离策略有望应用于需要常温常压实现加氢反应的场景，不仅能降低能耗，也能提高加氢反应安全性。例如，二氧化碳加氢转化成多碳产物的过程一般需要200℃以上的温度和1 MPa以上的氢气压力，如果氢气泄漏就容易发生爆炸。而采用这种新策略后，反应的温度和压力能够大幅降低（80摄氏度、常压环境即可）。

其次，该方法还能为碳资源优化利用和实现碳中和的目标提供助力，有望实现低温加氢脱氧，实现生物质转化为液体燃料，与现有可再生电能和氢能等非碳基能源形成互补。

此外，该策略拓展了多相催化的研究思路，为同步提高多相催化中活性和选择性提供了借鉴。

至此，这束光不仅拆解开了分子之锁，也将在科学家的指引下，照亮一条通向绿色未来的路！

出品：科普中国

作者：罗能超（中国科学院大连化学物理研究所）陈思（中国科学院大连化学物理研究所）

监制：中国科普博览