人民網(wǎng)北京9月8日電 （記者趙竹青）記者從中國(guó)科學(xué)院獲悉，近日，中國(guó)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)Paolo Fornasiero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)了常溫氫氣異裂。相關(guān)成果于北京時(shí)間9月5日發(fā)表在《科學(xué)》(Science)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(guò)程都涉及到至少一步加氫反應(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。其中，氫氣異裂產(chǎn)生極性的氫物種，具有反應(yīng)活性高、對(duì)極性官能團(tuán)選擇性加氫的特點(diǎn)，使得許多重要化工產(chǎn)品的生成速率提高并減少副反應(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(xiǎn)。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)。
本工作中，團(tuán)隊(duì)突破了此前發(fā)展的光生電子和空穴“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。
團(tuán)隊(duì)以金/二氧化鈦（Au/TiO2）為模型催化劑，通過(guò)紫外光激發(fā)二氧化鈦（TiO2）能夠使產(chǎn)生的電子遷移到金（Au）納米顆粒上而被束縛。同時(shí)，Au納米顆粒和TiO2的界面存在Au-O-Ti組成的缺陷態(tài)，光生空穴會(huì)在界面處被捕獲。此時(shí)空穴和電子分別在界面Au-O-Ti和金納米顆粒上，從而形成了空間鄰近的束縛態(tài)電子-空穴對(duì)。因此，當(dāng)束縛態(tài)電子-空穴對(duì)機(jī)制主導(dǎo)氫氣異裂時(shí)，Au/TiO2催化氫氣異裂的活性隨著光強(qiáng)增強(qiáng)而線性增加。
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(shì)，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(guò)串聯(lián)乙烷轉(zhuǎn)化為乙烯的裝置，可以把二氧化碳還原為乙烯，乙烯收率>99%，催化劑可以穩(wěn)定運(yùn)行超過(guò)1500小時(shí)不失活。該光催化氫氣異裂的方式可以拓展至金/氮摻雜氧化態(tài)（Au/N-TiO2）、金/氧化鈰（Au/CeO2）和金/釩酸鉍（Au/BiVO4）等光催化劑，還可以利用太陽(yáng)光實(shí)現(xiàn)二氧化碳加氫制乙烷，選擇性達(dá)90%。
王峰表示：“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(guò)程的能耗，減少二氧化碳排放，助力碳資源優(yōu)化利用。”他補(bǔ)充道，“未來(lái)，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(jí)轉(zhuǎn)型提供新模式。”