中国科学院大连化学物理研究所王峰团队联合意大利学者在光催化氢气异裂领域取得突破，通过构建空间邻近正负电荷中心实现常温氢气异裂，利用该技术可将二氧化碳高效还原为乙烯等高附加值产品，催化剂稳定性强，为绿色化工和碳资源利用提供新路径，未来还将探索工业化技术应用。
在化学工业的奇妙世界里，氢气就像是一把神奇的”钥匙”，能够开启许多化学反应的大门——它能将空气中的氮气转化为化肥，把令人头疼的温室气体二氧化碳变成汽油。然而，这把”钥匙”想要发挥作用却面临着一个巨大的难题：氢气分子中的两个氢原子就像一对”不愿分开的情侣”，在常温下想要让它们”分手”简直比登天还难。
近日，中国科学院大连化学物理研究所王峰研究员团队联合意大利的里雅斯特大学保罗·福尔纳谢罗教授等人，成功攻克了这一科学难题，在光催化氢气异裂领域取得了突破性进展。他们发展出一种全新的光催化策略，实现了在常温条件下就能让氢气”和平分手”，相关研究成果于9月5日发表在国际顶级学术期刊《科学》杂志上，这一突破为绿色化工产业的发展开辟了全新路径。
一、氢气异裂：化学工业的”魔法钥匙”
加氢反应是化学工业中的”明星反应”，大约四分之一的化工生产过程都离不开它。而氢气活化则是加氢反应的核心环节，其中存在着两种截然不同的机制——均裂和异裂。王峰研究员形象地比喻道：”这两种机制就像是氢气分子的两种’分手方式’，均裂是’和平分手’，两个氢原子各带走一个电子，公平友好；而异裂则是’不公平分手’，一个氢原子带走全部电子，另一个则一无所有。”
正是这种”不公平分手”产生的富电子氢原子，成为了化学工业中的”宝贝”。氢气异裂能够产生具有极性的氢物种，不仅可以大幅提高重要化工产品的生成速率，还能有效减少副反应的产生。然而，要让氢气发生异裂通常需要极高的温度和压力，这不仅消耗大量能源，还增加了生产过程中的安全风险。因此，如何在常温条件下实现氢气的高效异裂，一直是科学家们梦寐以求的目标。
二、光催化突破：常温异裂的”神奇魔法”
在这项突破性研究中，科学家团队创新性地突破了传统光催化转化方式的局限。过去的光催化研究往往局限于光生电子和空穴”单独”引发半反应，而王峰团队则提出了一个革命性的思路：利用光生电子和空穴构建空间邻近的正负电荷中心，从而实现常温条件下的氢气异裂。
“我们长期致力于光催化研究，当光照射到催化剂时，会产生正电荷和负电荷。但此前，还没有研究将光催化与氢气异裂这两个领域联系起来。”中国科学院大连化学物理研究所副研究员罗能超介绍道。研究团队选择了金/二氧化钛作为模型催化剂，通过紫外光激发二氧化钛，使其产生的电子迁移到金纳米颗粒上并被束缚。同时，光生空穴会在催化剂界面处被捕获，从而形成了空间邻近的束缚态电子-空穴对。
这个创新性的设计带来了惊人的效果——随着紫外光强度的增加，氢气异裂效率不断提高。这种空间邻近的正负电荷中心就像是一个”魔法阵”，在常温下就能促使氢气分子发生异裂，产生具有高活性的氢物种。
三、实际验证：二氧化碳还原的”绿色革命”
为了验证这项技术的实际应用价值，研究团队选择了惰性的二氧化碳还原反应作为测试对象。实验结果令人振奋：产生的氢物种在常温下就能将惰性的二氧化碳全部转化，产物只有乙烷。更令人惊喜的是，通过串联乙烷转化为乙烯的装置，可以将二氧化碳近乎完全还原为乙烯。更关键的是，催化剂可以稳定运行超过1500小时而不失活。
“以氢气和二氧化碳为原料，制备乙烷、乙烯等高附加值产品，能够大幅降低传统加氢过程的能耗，减少二氧化碳排放，助力碳资源优化利用。”王峰研究员介绍道。这一突破不仅解决了氢气异裂的难题，还为二氧化碳的资源化利用提供了全新的解决方案。
四、未来展望：工业化应用的”光明前景”
这项突破性研究的意义不仅限于实验室的成功。王峰研究员表示：”未来，我们将深入进行反应工艺研究，希望以此为基础，发展出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。”
想象一下，在不久的将来，这项技术可能会带来以下变革：
- 绿色化工：大幅降低化工生产过程中的能耗和碳排放；
- 二氧化碳利用：将温室气体转化为高附加值化学品；
- 能源革命：为氢能的高效利用开辟新途径；
- 产业升级：推动传统煤化工向绿色、低碳方向转型。
中国科学院大连化学物理研究所的这项突破，就像是为化学工业打开了一扇新的大门。通过光催化技术实现常温氢气异裂，不仅解决了长期困扰科学家的难题，更为绿色化工和可持续发展提供了强有力的技术支撑。正如王峰研究员所说：”这不仅是科学上的突破，更是对未来绿色发展的重要贡献。”在未来，随着这项技术的进一步发展和应用，我们有理由相信，化学工业将迎来一个更加绿色、高效的新时代。
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