氢气是改变很多“顽固分子”的关键钥匙之一，它可以把空气中的主要成分氮气转化为化肥，把温室气体二氧化碳转化成汽油……然而，氢气的两个氢原子就像一对“紧密相拥的情侣”，常温下想让它们“分手”困难重重。
近日，中国科学院大连化学物理研究所王峰研究员团队联合意大利的里雅斯特大学保罗·福尔纳谢罗教授等人在光催化氢气异裂领域取得新进展，发展了光催化策略，实现了常温条件下氢气异裂。相关成果于9月5日发表在《科学》杂志上。
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。“均裂和异裂是氢气‘分手’的两种形式，一种是和平分手——两个氢原子各带走一个电子，公平且友好；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。”王峰说。
正是这场不公平的“分手”产生了富电子的氢原子，氢气异裂能够产生极性的氢物种，可有效提高重要化工产品的生成速率并减少副反应。然而，氢气异裂通常需要较高的温度和压力，消耗大量能源并增加安全风险。如何在常温条件下实现氢气高效异裂成为科学家们探索的目标。
研究中，团队突破了光生电子和空穴“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，以此实现常温条件下氢气异裂。
“我们长期致力于光催化研究，当光照射到催化剂时，会诱导产生正电荷和负电荷，但此前，并没有研究将光催化研究和氢气异裂建立关联。”中国科学院大连化学物理研究所副研究员罗能超说，团队以金/二氧化钛为模型催化剂，通过紫外光激发二氧化钛，使其产生的电子迁移到金纳米颗粒上而被束缚。同时，光生空穴会在催化剂界面处被捕获，从而形成了空间邻近的束缚态电子-空穴对，进而可随着紫外光增强而不断提高氢气异裂效率。
随后，团队用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，发现产生的氢物种可以在常温下把惰性的二氧化碳全部转化，产物只有乙烷，再通过串联乙烷转化为乙烯的装置，可以把二氧化碳近乎完全还原为乙烯，催化剂可以稳定运行超过1500小时不失活。
“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。”王峰说，“未来，我们也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。”（完）
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📸 王文革记者 马韶鹏 摄
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📸 尚新琢记者 贾清江 摄
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