氢气，这个在化学工业中扮演关键角色的物质，一直以其独特的性质吸引着科学家的目光。它能够将空气中的氮气转化为化肥，也能将温室气体二氧化碳转变为汽油，展现出强大的转化能力。然而，氢气分子中的两个氢原子如同“连体婴”，在常温下分离它们绝非易事。
近日，一项突破性成果为解决这一难题提供了新思路。中国科学院大连化学物理研究所的王峰研究员团队，携手意大利里雅斯特大学的保罗·福尔纳谢罗教授等人，在光催化氢气异裂领域取得了重要进展。他们成功开发出一种光催化策略，实现了在常温条件下氢气的高效异裂，相关研究于近日发表在国际权威期刊《科学》杂志上。
加氢反应是化学工业中的基石反应之一，众多化工产品的生产都离不开这一关键步骤。而加氢反应的核心，在于氢气的活化，这主要通过均裂和异裂两种机制实现。王峰研究员形象地比喻道：“均裂就像两个氢原子和平分手，各自带走一个电子；而异裂则是不公平的分手，一个氢原子独占所有电子，另一个则一无所有。”正是这种不公平的“分手”，产生了富电子的氢原子，从而能够产生极性的氢物种，显著提高重要化工产品的生成速率，并减少副反应的发生。
然而，传统的氢气异裂过程往往需要高温高压的环境，这不仅消耗大量能源，还增加了安全风险。因此，如何在常温条件下实现氢气的高效异裂，成为了科学家们竞相探索的课题。
王峰团队的研究，为这一难题提供了创新性的解决方案。他们突破了传统光催化转化方式中光生电子和空穴“单独”引发半反应的局限，提出了利用光生电子和空穴构建空间邻近正负电荷中心的新思路，从而实现了常温条件下氢气的高效异裂。
“我们长期致力于光催化的研究，但此前并未将光催化与氢气异裂联系起来。”团队成员罗能超副研究员介绍道。在研究中，他们以金/二氧化钛为模型催化剂，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，光生空穴在催化剂界面处被捕获，形成了空间邻近的束缚态电子-空穴对。随着紫外光强度的增强，氢气异裂的效率也不断提高。
为了验证这种光诱导氢气异裂的优势，团队选择了惰性的二氧化碳还原反应作为测试对象。结果发现，产生的氢物种能够在常温下将惰性的二氧化碳全部转化为乙烷。再通过串联乙烷转化为乙烯的装置，二氧化碳可以近乎完全地被还原为乙烯，且催化剂能够稳定运行超过1500小时而不失活。
这一成果不仅为氢气的常温异裂提供了新的方法，更为化学工业的绿色发展开辟了新的道路。以氢气和二氧化碳为原料制备乙烷、乙烯等高附加值产品，不仅能够大幅降低传统加氢过程的能耗，还能有效减少二氧化碳的排放，实现碳资源的优化利用。
