新突破！首次實現光催化常溫氫氣異裂，并將CO2高效轉化為乙烷乙烯

　　近日，中國科學院大連化學物理研究所研究員王峰團隊聯合意大利里雅斯特大學教授Paolo Fornasiero等，在光催化氫氣異裂領域取得新進展，實現了常溫下氫氣異裂。

　　加氫反應是化學工業中的重要反應之一，約四分之一的化工反應過程至少包含一步加氫反應。加氫反應的核心之一是氫氣活化，包括均裂和異裂兩種機制。其中，氫氣異裂產生極性的氫物種，具有反應活性高、對極性官能團選擇性加氫的特點。然而，氫氣異裂一般需要較高的反應溫度，且由于反應活性位點濃度低導致氫氣異裂反應速率低，往往成為加氫反應的決速步驟。

　　氫氣異裂的活性位點包括多種類型，但其本質的結構特點是包含空間鄰近（亞納米尺度）的正負電荷中心。本研究中，王峰團隊基于前期發展的光生電子和空穴“單獨”引發半反應的光催化轉化方式，提出將光生電子和空穴用于構建空間鄰近正負電荷中心，以實現常溫條件下氫氣異裂。該工作攻克了構建空間鄰近的電子和空穴束縛態這一關鍵科學難題，在利用電子-空穴對催化氫氣異裂的同時有效避免了因空間鄰近而發生電子-空穴復合的問題。

　　該團隊以金/二氧化鈦（Au/TiO2）為模型催化劑，利用紫外光激發TiO2。結果顯示，光激發產生的電子可遷移到Au納米顆粒上而被束縛；由于Au納米顆粒和TiO2的界面存在Au-O-Ti組成的缺陷態，光生空穴會在界面處被捕獲。研究發現，空穴和電子分別在界面Au-O-Ti和Au納米顆粒上，形成了空間鄰近的束縛態電子-空穴對。Au/TiO2在常溫條件下同時存在氫氣異裂的熱催化機制，與Au/TiO2上光催化氫氣異裂的機制疊加，使研究人員觀察到該反應活性隨著光強增強先降低后呈線性增加的現象。

　　進一步，該團隊將上述光催化氫氣異裂方式用于二氧化碳還原，在光催化固定床反應器中實現二氧化碳單程轉化率接近100%，主產物為乙烷，選擇性大于99%，光催化二氧化碳加氫穩定性大于1500小時。團隊通過串聯乙烷脫氫制乙烯裝置，實現二氧化碳加氫制乙烯，單程收率大于99%。

　　這一光催化氫氣異裂的方式可以拓展至Au/N-TiO2、Au/CeO2和Au/BiVO4等體系，并可以利用太陽光實現二氧化碳加氫制乙烷，選擇性達90%。

　　9月5日，相關研究成果以Photochemical H2 dissociation for nearly quantitative CO2 reduction to ethylene為題，發表在《科學》（Science）上。研究工作得到國家自然科學基金和中國科學院相關項目等的支持。

常溫下氫氣異裂成功實現

　　首次實現光催化常溫氫氣異裂，并將CO2高效轉化為乙烷乙烯，這對碳中和有何實際意義？

　　第一個是大氣中不斷增加的二氧化碳，它很穩定，很難參與化學反應。所以溫室效應不斷加劇。

　　第二個難題是我們需要乙烯。乙烯被稱為“化工之王”你穿的衣服、用的塑料袋、輪胎，都離不開它。全球每年生產超過1.5億噸乙烯。但傳統上，我們用石油制備乙烯。這個過程消耗大量能源，產生大量碳排放，污染環境，加劇溫室效應。

　　而中科院王峰團隊的這項研究，同時解決了這兩個問題。

　　他們用二氧化碳制備乙烯。

　　核心技術:氫氣異裂

　　氫氣分子在正常情況下，2個氫原子分開時各帶走一個電子。

　　保持電荷平衡，這叫“均裂”

　　但“異裂”不同。一個氫原子帶走兩個電子，變成負電荷。另一個沒有電子，變成正電荷。

　　這就產生了，極性的氫物種。

　　為什么極性氫物種很重要?

　　因為它們反應活性更高，更容易和二氧化碳結合過去，氫氣異裂需要高溫(通常在300-500°C)，)這需要大量能量輸入，

　　王峰團隊厲害的地方在于:他們在常溫下實現了氫氣異裂。

　　讓我們深入來看看這個機制。

　　研究團隊使用金納米顆粒負載在二氧化鈦上，形成Au/TiO2催化劑。

　　當365納米的紫外光照射時，光激發二氧化鈦，產生電子和空穴。

　　電子跑到金納米顆粒上被束縛，空穴留在Au-O-Ti界面處被捕獲。

　　這樣就形成了空間鄰近的正負電荷中心，創造了一個微觀的“磁場”

　　氫氣分子在這個“磁場”中發生異裂。

　　一個氫原子變成H+(質子)，另一個變成H-(氫負離子)這個過程的巧妙之處在于:電子和空穴雖然空間鄰近，但不會復合，避免了能量損失。^[1]

　　現在我們理解了氫氣異裂，再來看看如何將二氧化碳轉化為乙烷。

　　異裂產生的氫負離子(H-)具有強還原性，它可以攻擊二氧化碳分子。

　　反應過程是這樣的:

　　CO2+ H-→ COOH-(甲酸根離子)

　　COOH-+ H+ → HCOOH(甲酸)

　　2HCOOH → C2H6 +2H20(通過復雜的C-C偶聯反應）

　　這個過程的關鍵是C-C偶聯。

　　兩個碳原子需要結合形成乙烷，傳統上這需要高溫高壓。

　　但在光催化條件下，反應可以在常溫下進行

　　而且二氧化碳單程轉化率接近100%，乙烷選擇性大于99%。^[2]

　　團隊還實現了乙烷進一步轉化為乙烯。

　　這個步驟叫脫氫反應

　　C2H6 → C2H4 + H2

　　在傳統工業中，這需要800-900℃的高溫，消耗大量能量。

　　研究團隊用光催化實現了這個過程，乙烯收率大于99%，系統穩定運行超過1500小時。^[3]

　　這意味著什么?

　　意味著整個過程，從二氧化碳開始，最終得到乙烯。

　　完全不需要石油。

　　上面的數據描述似乎不太能直觀感受到震撼性，再來擴展一下

　　1、二氧化碳轉化率接近100%

　　這意味著幾乎所有進入反應器的二氧化碳都被轉化，沒有浪費。

　　2、乙烷選擇性大于99%

　　這意味著生成的產物非常純凈，不是一堆難以分離的混合物。

　　3、1500小時的穩定性

　　相當于連續運行兩個多月，這說明催化劑不會很快失活，

　　還有一個很牛的地方，這個技術具有普適性。

　　研究團隊證明，光催化氫氣異裂可以在多種體系中實現:

　　Au/N-TiO2(氮摻雜二氧化鈦)

　　Au/CeO2(氧化鈰)

　　Au/BiVO4(釩酸鉍)

　　這些材料可以利用可見光，不只是紫外光。

　　團隊還用太陽光進行了驗證。

　　在太陽光照射下，二氧化碳制乙烷的選擇性達到90%。

　　讓我們從更大的視角理解這個發現的意義

　　首先，它直接消耗二氧化碳。

　　每生產一噸乙烷，理論上需要消耗約 1.57噸二氧化碳。

　　如果這個技術大規模應用，可以顯著減少大氣中的二氧化碳濃度,

　　其次，它用可再生能源驅動

　　太陽光是免費的，無污染的。

　　更重要的是，它改變了整個化工產業的模式。

　　傳統模式是線性的:

　　石油 → 乙烯 → 化學品 → 廢棄

　　新模式是循環的:

　　CO2 → 乙烯 → 化學品 → CO2→ 乙烯

　　這種循環模式是實現碳中和的核心理念。

參考

1.https://bioengineer.org/scientists-achieve-ambient-temperature-light-induced-heterolytic-hydrogen.dissociation/

2.https://www.eurekalert.org/news-releases/1096401.

3.Jin P Guo P, Luo N, Zhang H, Ni c, Chen R, Liu W, Li R, Xiao J, Wang G, Zhang F, Fornasiero P, Wang F,Photochemical H2 dissociation for nearly quantitative CO2 reduction to ethylene. Science. 2025 Sep4；389(6764):1037-1042.doi: 10.1126/science.adq3445.Epub 2025 Sep 4. PMID: 40906861.