煤化工变“光化工”，中国科学家实现常温氢气异裂解

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【 煤化工变“光化工”，中国科学家实现常温氢气异裂解 】

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近日，中国科学院大连化学物理研究所研究员王峰团队联合意大利里雅斯特大学教授Paolo Fornasiero等，在光催化氢气异裂领域取得新进展，实现了常温下氢气异裂，为绿色化学打开了全新可能。

该成果以Photochemical H2 dissociation for nearly quantitative CO2 reduction to ethylene为题，发表在《科学》（Science）上。

加氢是化学工业中最基本的反应之一。据估计，约四分之一的化工反应过程至少包含一步加氢反应。

而H2的活化则是加氢反应的一个核心过程。然而，在化学工业中，如何高效安全地激活氢气分子一直是科学家面临的重大挑战。

目前，氢气的解离一般通过两种途径发生：均裂解离和异裂解离。

其中，异裂解离产生的极性氢物种，具有反应活性高、对极性官能团选择性加氢的特点，特别适合合成药物、农药等精细化学品。

然而，该反应通常在高温高压下进行，导致能耗高且存在安全隐患；同时，由于反应活性位点浓度低导致氢气异裂反应速率低，往往成为加氢反应的决速步骤。

氢气异裂的活性位点包括多种类型，但其本质的结构特点是包含空间邻近（亚纳米尺度）的正负电荷中心。

本研究中，王峰团队基于前期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，提出将光生电子和空穴用于构建空间邻近正负电荷中心，以实现常温条件下氢气异裂。

该工作攻克了构建空间邻近的电子和空穴束缚态这一关键科学难题，在利用电子-空穴对催化氢气异裂的同时有效避免了因空间邻近而发生电子-空穴复合的问题。

该团队以金/二氧化钛（Au/TiO2）为模型催化剂，利用紫外光激发TiO2。结果显示，光激发产生的电子可迁移到Au纳米颗粒上而被束缚；由于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。

研究发现，空穴和电子分别在界面Au-O-Ti和Au纳米颗粒上，形成了空间邻近的束缚态电子-空穴对。

Au/TiO2在常温条件下同时存在氢气异裂的热催化机制，与Au/TiO2上光催化氢气异裂的机制叠加，使研究人员观察到该反应活性随着光强增强先降低后呈线性增加的现象。

首图来源：DOI: 10.1126/science.adq3445

更令人振奋的是，这项技术展现了惊人的应用潜力。

研究团队将解离后的氢物种用于二氧化碳还原反应，在常温常压下的光催化固定床反应器中几乎将CO₂完全转化为乙烷。

而通过后续的串联光催化乙烷脱氢制乙烯装置，又能进一步将乙烷转化为乙烯，且连续反应1500小时后仍保持99%以上的产率。

这项研究提供了一种在常温常压下利用氢气和二氧化碳生产乙烷和乙烯等高价值化学品的有前景的途径，可以降低能源成本并减少碳排放。

同时，这项技术的通用性也是其突出优势。研究团队成功将策略拓展至多种可见光响应的光催化剂，如Au/N-TiO₂、Au/CeO₂和Au/BiVO₄等。

在实际演示中，他们直接利用太阳光驱动CO₂转化，实现了高达90%的乙烷选择性。

王教授表示，未来，科研团队将深入进行反应工艺研究，希望以此为基础，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。

（来源：中国科学院、EurekAlert；整理：Bell）

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