不需高溫，只需陽(yáng)光就能讓氫氣高效“裂解”，把二氧化碳變成高附加值化學(xué)品。這看似科幻的場(chǎng)景即將變成現(xiàn)實(shí)。《科學(xué)》5日在線發(fā)表了光催化氫氣“裂解”的重要成果，來(lái)自中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所等單位的科研人員，提出了一種新型光催化策略，在常溫條件下實(shí)現(xiàn)氫氣異裂，為綠色低碳化工提供了全新路徑。

加氫反應(yīng)是化學(xué)工業(yè)中的重要反應(yīng)，約四分之一的化工生產(chǎn)過(guò)程涉及加氫反應(yīng)。作為加氫反應(yīng)的核心步驟之一，氫氣活化通常分為均裂與異裂兩種類型。其中，異裂具有反應(yīng)效率高、選擇性好等優(yōu)勢(shì)，能夠顯著提升目標(biāo)產(chǎn)物的合成速率并減少副反應(yīng)。然而，傳統(tǒng)氫氣異裂過(guò)程需在高溫高壓下進(jìn)行，不僅能耗高，也伴隨一定的安全風(fēng)險(xiǎn)。常溫條件下實(shí)現(xiàn)氫氣高效異裂，一直是科研人員追求的目標(biāo)。

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科研人員在氣相色譜前檢測(cè)分析二氧化碳轉(zhuǎn)化為乙烷或乙烯實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

在這項(xiàng)研究中，研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地提出利用光生電子與空穴共同構(gòu)建空間相鄰的正負(fù)電荷中心，成功突破了這一技術(shù)瓶頸。他們以金/二氧化鈦為模型催化劑，在紫外光激發(fā)下，產(chǎn)生束縛態(tài)電子-空穴對(duì)，實(shí)現(xiàn)了常溫下的氫氣高效異裂。

更令人振奮的是，這種光催化方法在二氧化碳還原反應(yīng)中展現(xiàn)出顯著優(yōu)勢(shì)。在常溫條件下，氫氣異裂產(chǎn)生的活性氫物種可以將二氧化碳全部轉(zhuǎn)化為乙烷，再通過(guò)后續(xù)裝置轉(zhuǎn)化為乙烯，轉(zhuǎn)化率高達(dá)99%。而且，催化劑可以穩(wěn)定運(yùn)行超過(guò)1500小時(shí)，顯示出極佳的工業(yè)應(yīng)用前景。

“這項(xiàng)技術(shù)以氫氣和二氧化碳為原料，直接制備乙烷、乙烯等高附加值產(chǎn)品，不僅大幅降低了傳統(tǒng)加氫工藝的能耗和碳排放，還能有效減少二氧化碳排放，對(duì)推動(dòng)碳資源優(yōu)化利用具有重要意義。”論文通訊作者、中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所研究員王峰說(shuō)，這一技術(shù)可以拓展至多種光催化劑體系，甚至可以利用太陽(yáng)光實(shí)現(xiàn)二氧化碳加氫制乙烷，選擇性達(dá)到90%。

王峰表示，未來(lái)研究團(tuán)隊(duì)將繼續(xù)深入進(jìn)行反應(yīng)工藝研究，探索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(jí)轉(zhuǎn)型提供新模式。