讓氫氣“更聽話”！科學(xué)家在光催化氫氣異裂領(lǐng)域取得新進(jìn)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(guān)鍵鑰匙之一，它可以把空氣中的主要成分氮?dú)廪D(zhuǎn)化為化肥，把溫室氣體二氧化碳轉(zhuǎn)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(xué)院大連化學(xué)物理研究所王峰研究員團(tuán)隊(duì)聯(lián)合意大利的里雅斯特大學(xué)保羅·福爾納謝羅教授等人在光催化氫氣異裂領(lǐng)域取得新進(jìn)展，發(fā)展了光催化策略，實(shí)現(xiàn)了常溫條件下氫氣異裂。相關(guān)成果于9月5日發(fā)表在《科學(xué)》雜志上。
加氫反應(yīng)是化學(xué)工業(yè)中的重要反應(yīng)之一，大約四分之一的化工反應(yīng)過程都涉及至少一步加氫反應(yīng)。加氫反應(yīng)的核心步驟之一是氫氣活化，包括均裂和異裂兩種機(jī)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�！蓖醴逭f。
正是這場不公平的“分手”產(chǎn)生了富電子的氫原子，氫氣異裂能夠產(chǎn)生極性的氫物種，可有效提高重要化工產(chǎn)品的生成速率并減少副反應(yīng)。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(fēng)險。如何在常溫條件下實(shí)現(xiàn)氫氣高效異裂成為科學(xué)家們探索的目標(biāo)。
研究中，團(tuán)隊(duì)突破了光生電子和空穴“單獨(dú)”引發(fā)半反應(yīng)的光催化轉(zhuǎn)化方式，提出利用光生電子和空穴構(gòu)建空間鄰近正負(fù)電荷中心，以此實(shí)現(xiàn)常溫條件下氫氣異裂。
“我們長期致力于光催化研究，當(dāng)光照射到催化劑時，會誘導(dǎo)產(chǎn)生正電荷和負(fù)電荷，但此前，并沒有研究將光催化研究和氫氣異裂建立關(guān)聯(lián)�！敝袊茖W(xué)院大連化學(xué)物理研究所副研究員羅能超說，團(tuán)隊(duì)以金/二氧化鈦為模型催化劑，通過紫外光激發(fā)二氧化鈦，使其產(chǎn)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(tài)電子-空穴對，進(jìn)而可隨著紫外光增強(qiáng)而不斷提高氫氣異裂效率。
隨后，團(tuán)隊(duì)用惰性的二氧化碳還原反應(yīng)驗(yàn)證了這種光誘導(dǎo)氫氣異裂的優(yōu)勢，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生的氫物種可以在常溫下把惰性的二氧化碳全部轉(zhuǎn)化，產(chǎn)物只有乙烷，再通過串聯(lián)乙烷轉(zhuǎn)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(wěn)定運(yùn)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(chǎn)品，能夠大幅降低傳統(tǒng)加氫過程的能耗，減少二氧化碳排放，助力碳資源優(yōu)化利用。”王峰說，“未來，我們也將深入進(jìn)行反應(yīng)工藝研究，希望以此為基礎(chǔ)，發(fā)展出光與光熱耦合的工業(yè)化技術(shù)路徑，為現(xiàn)代煤化工的升級轉(zhuǎn)型提供新模式�！�
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氫氣是改變很多“頑固分子”的關(guān)鍵鑰匙之一，它可以把空氣中的主要成分氮?dú)廪D(zhuǎn)化為化肥，把溫室氣體二氧化碳轉(zhuǎn)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(xué)院大連化學(xué)物理研究所王峰研究員團(tuán)隊(duì)聯(lián)合意大利的里雅斯特大學(xué)保羅·福爾納謝羅教授等人在光催化氫氣異裂領(lǐng)域取得新進(jìn)展，發(fā)展了光催化策略，實(shí)現(xiàn)了常溫條件下氫氣異裂。相關(guān)成果于9月5日發(fā)表在《科學(xué)》雜志上。
加氫反應(yīng)是化學(xué)工業(yè)中的重要反應(yīng)之一，大約四分之一的化工反應(yīng)過程都涉及至少一步加氫反應(yīng)。加氫反應(yīng)的核心步驟之一是氫氣活化，包括均裂和異裂兩種機(jī)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�！蓖醴逭f。
正是這場不公平的“分手”產(chǎn)生了富電子的氫原子，氫氣異裂能夠產(chǎn)生極性的氫物種，可有效提高重要化工產(chǎn)品的生成速率并減少副反應(yīng)。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(fēng)險。如何在常溫條件下實(shí)現(xiàn)氫氣高效異裂成為科學(xué)家們探索的目標(biāo)。
研究中，團(tuán)隊(duì)突破了光生電子和空穴“單獨(dú)”引發(fā)半反應(yīng)的光催化轉(zhuǎn)化方式，提出利用光生電子和空穴構(gòu)建空間鄰近正負(fù)電荷中心，以此實(shí)現(xiàn)常溫條件下氫氣異裂。
“我們長期致力于光催化研究，當(dāng)光照射到催化劑時，會誘導(dǎo)產(chǎn)生正電荷和負(fù)電荷，但此前，并沒有研究將光催化研究和氫氣異裂建立關(guān)聯(lián)�！敝袊茖W(xué)院大連化學(xué)物理研究所副研究員羅能超說，團(tuán)隊(duì)以金/二氧化鈦為模型催化劑，通過紫外光激發(fā)二氧化鈦，使其產(chǎn)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(tài)電子-空穴對，進(jìn)而可隨著紫外光增強(qiáng)而不斷提高氫氣異裂效率。
隨后，團(tuán)隊(duì)用惰性的二氧化碳還原反應(yīng)驗(yàn)證了這種光誘導(dǎo)氫氣異裂的優(yōu)勢，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生的氫物種可以在常溫下把惰性的二氧化碳全部轉(zhuǎn)化，產(chǎn)物只有乙烷，再通過串聯(lián)乙烷轉(zhuǎn)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(wěn)定運(yùn)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(chǎn)品，能夠大幅降低傳統(tǒng)加氫過程的能耗，減少二氧化碳排放，助力碳資源優(yōu)化利用�！蓖醴逭f，“未來，我們也將深入進(jìn)行反應(yīng)工藝研究，希望以此為基礎(chǔ)，發(fā)展出光與光熱耦合的工業(yè)化技術(shù)路徑，為現(xiàn)代煤化工的升級轉(zhuǎn)型提供新模式。”
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