新突破！首次实现光催化常温氢气异裂，并将CO2高效转化为乙烷乙烯

　　近日，中国科学院大连化学物理研究所研究员王峰团队联合意大利里雅斯特大学教授Paolo Fornasiero等，在光催化氢气异裂领域取得新进展，实现了常温下氢气异裂。

　　加氢反应是化学工业中的重要反应之一，约四分之一的化工反应过程至少包含一步加氢反应。加氢反应的核心之一是氢气活化，包括均裂和异裂两种机制。其中，氢气异裂产生极性的氢物种，具有反应活性高、对极性官能团选择性加氢的特点。然而，氢气异裂一般需要较高的反应温度，且由于反应活性位点浓度低导致氢气异裂反应速率低，往往成为加氢反应的决速步骤。

　　氢气异裂的活性位点包括多种类型，但其本质的结构特点是包含空间邻近（亚纳米尺度）的正负电荷中心。本研究中，王峰团队基于前期发展的光生电子和空穴“单独”引发半反应的光催化转化方式，提出将光生电子和空穴用于构建空间邻近正负电荷中心，以实现常温条件下氢气异裂。该工作攻克了构建空间邻近的电子和空穴束缚态这一关键科学难题，在利用电子-空穴对催化氢气异裂的同时有效避免了因空间邻近而发生电子-空穴复合的问题。

　　该团队以金/二氧化钛（Au/TiO2）为模型催化剂，利用紫外光激发TiO2。结果显示，光激发产生的电子可迁移到Au纳米颗粒上而被束缚；由于Au纳米颗粒和TiO2的界面存在Au-O-Ti组成的缺陷态，光生空穴会在界面处被捕获。研究发现，空穴和电子分别在界面Au-O-Ti和Au纳米颗粒上，形成了空间邻近的束缚态电子-空穴对。Au/TiO2在常温条件下同时存在氢气异裂的热催化机制，与Au/TiO2上光催化氢气异裂的机制叠加，使研究人员观察到该反应活性随着光强增强先降低后呈线性增加的现象。

　　进一步，该团队将上述光催化氢气异裂方式用于二氧化碳还原，在光催化固定床反应器中实现二氧化碳单程转化率接近100%，主产物为乙烷，选择性大于99%，光催化二氧化碳加氢稳定性大于1500小时。团队通过串联乙烷脱氢制乙烯装置，实现二氧化碳加氢制乙烯，单程收率大于99%。

　　这一光催化氢气异裂的方式可以拓展至Au/N-TiO2、Au/CeO2和Au/BiVO4等体系，并可以利用太阳光实现二氧化碳加氢制乙烷，选择性达90%。

　　9月5日，相关研究成果以Photochemical H2 dissociation for nearly quantitative CO2 reduction to ethylene为题，发表在《科学》（Science）上。研究工作得到国家自然科学基金和中国科学院相关项目等的支持。

常温下氢气异裂成功实现

　　首次实现光催化常温氢气异裂，并将CO2高效转化为乙烷乙烯，这对碳中和有何实际意义？

　　第一个是大气中不断增加的二氧化碳，它很稳定，很难参与化学反应。所以温室效应不断加剧。

　　第二个难题是我们需要乙烯。乙烯被称为“化工之王”你穿的衣服、用的塑料袋、轮胎，都离不开它。全球每年生产超过1.5亿吨乙烯。但传统上，我们用石油制备乙烯。这个过程消耗大量能源，产生大量碳排放，污染环境，加剧温室效应。

　　而中科院王峰团队的这项研究，同时解决了这两个问题。

　　他们用二氧化碳制备乙烯。

　　核心技术:氢气异裂

　　氢气分子在正常情况下，2个氢原子分开时各带走一个电子。

　　保持电荷平衡，这叫“均裂”

　　但“异裂”不同。一个氢原子带走两个电子，变成负电荷。另一个没有电子，变成正电荷。

　　这就产生了，极性的氢物种。

　　为什么极性氢物种很重要?

　　因为它们反应活性更高，更容易和二氧化碳结合过去，氢气异裂需要高温(通常在300-500°C)，)这需要大量能量输入，

　　王峰团队厉害的地方在于:他们在常温下实现了氢气异裂。

　　让我们深入来看看这个机制。

　　研究团队使用金纳米颗粒负载在二氧化钛上，形成Au/TiO2催化剂。

　　当365纳米的紫外光照射时，光激发二氧化钛，产生电子和空穴。

　　电子跑到金纳米颗粒上被束缚，空穴留在Au-O-Ti界面处被捕获。

　　这样就形成了空间邻近的正负电荷中心，创造了一个微观的“磁场”

　　氢气分子在这个“磁场”中发生异裂。

　　一个氢原子变成H+(质子)，另一个变成H-(氢负离子)这个过程的巧妙之处在于:电子和空穴虽然空间邻近，但不会复合，避免了能量损失。^[1]

　　现在我们理解了氢气异裂，再来看看如何将二氧化碳转化为乙烷。

　　异裂产生的氢负离子(H-)具有强还原性，它可以攻击二氧化碳分子。

　　反应过程是这样的:

　　CO2+ H-→ COOH-(甲酸根离子)

　　COOH-+ H+ → HCOOH(甲酸)

　　2HCOOH → C2H6 +2H20(通过复杂的C-C偶联反应）

　　这个过程的关键是C-C偶联。

　　两个碳原子需要结合形成乙烷，传统上这需要高温高压。

　　但在光催化条件下，反应可以在常温下进行

　　而且二氧化碳单程转化率接近100%，乙烷选择性大于99%。^[2]

　　团队还实现了乙烷进一步转化为乙烯。

　　这个步骤叫脱氢反应

　　C2H6 → C2H4 + H2

　　在传统工业中，这需要800-900℃的高温，消耗大量能量。

　　研究团队用光催化实现了这个过程，乙烯收率大于99%，系统稳定运行超过1500小时。^[3]

　　这意味着什么?

　　意味着整个过程，从二氧化碳开始，最终得到乙烯。

　　完全不需要石油。

　　上面的数据描述似乎不太能直观感受到震撼性，再来扩展一下

　　1、二氧化碳转化率接近100%

　　这意味着几乎所有进入反应器的二氧化碳都被转化，没有浪费。

　　2、乙烷选择性大于99%

　　这意味着生成的产物非常纯净，不是一堆难以分离的混合物。

　　3、1500小时的稳定性

　　相当于连续运行两个多月，这说明催化剂不会很快失活，

　　还有一个很牛的地方，这个技术具有普适性。

　　研究团队证明，光催化氢气异裂可以在多种体系中实现:

　　Au/N-TiO2(氮掺杂二氧化钛)

　　Au/CeO2(氧化铈)

　　Au/BiVO4(钒酸铋)

　　这些材料可以利用可见光，不只是紫外光。

　　团队还用太阳光进行了验证。

　　在太阳光照射下，二氧化碳制乙烷的选择性达到90%。

　　让我们从更大的视角理解这个发现的意义

　　首先，它直接消耗二氧化碳。

　　每生产一吨乙烷，理论上需要消耗约 1.57吨二氧化碳。

　　如果这个技术大规模应用，可以显著减少大气中的二氧化碳浓度,

　　其次，它用可再生能源驱动

　　太阳光是免费的，无污染的。

　　更重要的是，它改变了整个化工产业的模式。

　　传统模式是线性的:

　　石油 → 乙烯 → 化学品 → 废弃

　　新模式是循环的:

　　CO2 → 乙烯 → 化学品 → CO2→ 乙烯

　　这种循环模式是实现碳中和的核心理念。

参考

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.