新型光催化策略可在常温下实现氢气活化

不需高温，只需阳光就能让氢气高效“裂解”，把二氧化碳变成高附加值化学品。这看似科幻的场景即将变成现实。《科学》5日在线发表了光催化氢气“裂解”的重要成果，来自中国科学院大连化学物理研究所等单位的科研人员，提出了一种新型光催化策略，在常温条件下实现氢气异裂，为绿色低碳化工提供了全新路径。

加氢反应是化学工业中的重要反应，约四分之一的化工生产过程涉及加氢反应。作为加氢反应的核心步骤之一，氢气活化通常分为均裂与异裂两种类型。其中，异裂具有反应效率高、选择性好等优势，能够显著提升目标产物的合成速率并减少副反应。然而，传统氢气异裂过程需在高温高压下进行，不仅能耗高，也伴随一定的安全风险。常温条件下实现氢气高效异裂，一直是科研人员追求的目标。

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科研人员在气相色谱前检测分析二氧化碳转化为乙烷或乙烯实验结果。

在这项研究中，研究团队创新性地提出利用光生电子与空穴共同构建空间相邻的正负电荷中心，成功突破了这一技术瓶颈。他们以金/二氧化钛为模型催化剂，在紫外光激发下，产生束缚态电子-空穴对，实现了常温下的氢气高效异裂。

更令人振奋的是，这种光催化方法在二氧化碳还原反应中展现出显著优势。在常温条件下，氢气异裂产生的活性氢物种可以将二氧化碳全部转化为乙烷，再通过后续装置转化为乙烯，转化率高达99%。而且，催化剂可以稳定运行超过1500小时，显示出极佳的工业应用前景。

“这项技术以氢气和二氧化碳为原料，直接制备乙烷、乙烯等高附加值产品，不仅大幅降低了传统加氢工艺的能耗和碳排放，还能有效减少二氧化碳排放，对推动碳资源优化利用具有重要意义。”论文通讯作者、中国科学院大连化学物理研究所研究员王峰说，这一技术可以拓展至多种光催化剂体系，甚至可以利用太阳光实现二氧化碳加氢制乙烷，选择性达到90%。

王峰表示，未来研究团队将继续深入进行反应工艺研究，探索光与光热耦合的工业化技术路径，为现代煤化工的升级转型提供新模式。