來源：《中國科學報》第1版 要聞
發布時間：2025-09-08
研究示意圖。大連化物所供圖
■本報記者 孫丹寧
中國科學院大連化學物理研究所（以下簡稱大連化物所）研究員王峰團隊與意大利里雅斯特大學教授Paolo Fornasiero等人合作，提出一種新型光催化策略，實現了常溫條件下氫氣異裂。9月5日，相關研究成果發表于《科學》。
該研究將光催化氫氣異裂方式用于二氧化碳還原，直接制備乙烷、乙烯等高附加值化學品。相較于傳統高溫高壓加氫工藝，這一方法有望大幅降低能耗、有效減少二氧化碳排放，并為碳資源高效優化利用提供了新路徑。
意外的發現
論文發表對第一作者金平來說，意味著一場長達6年的科研“馬拉松”終于撞線，這也是他在大連化物所讀博期間完成的第一篇論文。
2017年，在南昌大學攻讀化工本科專業的金平，第一次見到來校作報告的王峰。王峰在報告中介紹了一項正在進行的木質素轉化研究，這引起了金平的興趣。
“通過選擇性活化非目標碳氧鍵，誘導分子內電子效應或空間構象變化，最終實現目標碳氧鍵的高效斷裂。”金平說，王峰形象地將此策略比喻為“聲東擊西”。
講座結束后，意猶未盡的金平找到王峰，探討分子轉化相關問題。一年后，金平加入王峰團隊，在大連化物所碩博連讀。
王峰讓剛留組工作的“新人老師”羅能超指導金平開展研究。結合羅能超光催化生物質轉化的研究方向，以及王峰給定的流動化學研究任務，團隊確定開展生物質光催化轉化和流動化學“二合一”研究，專注于通過光調控生物質平臺分子在流動反應體系中實現加氫。“我們的目標是提高光催化平臺分子加氫反應的活性，實現增值轉化，為碳資源優化利用提供新路徑。”金平說。
然而，在一次實驗中，他們卻發現了一個“不一樣的東西”。
“我們開始嘗試的是其他含氧分子的加氫，卻發現光照下的加氫產物有些異常，出現了獨特的‘翻轉效應’。我當時建議金平嘗試惰性更強的二氧化碳分子。”論文共同通訊作者、大連化物所副研究員羅能超說，“令人意外的是，這套光照下的加氫反應將二氧化碳轉化為碳二產物，驗證了光催化體系存在一種獨特且高效的氫氣活化方式。”
這一發現立刻引起研究團隊的關注。加氫反應是化學工業的核心反應之一，約1/4的化工過程都涉及至少一步加氫。
氫氣分子就像一對緊密結合的伙伴，共享電子形成牢固的化學鍵。在微觀層面，它們分離的方式主要有兩種，一種是均裂，即雙方各帶走相當數量的電子；另一種是異裂，即一方得到電子，另一方失去電子。但要實現這種異裂，需要較高溫度和壓力條件，并消耗大量能源。
因此，如何在溫和條件下實現氫氣高效異裂，成為科學家追求的目標。而實驗中的新發現為他們提供了新思路。
面對這個“偏離原定方向”的發現，研究團隊進一步轉向探索氫氣異相活化的新體系。從最初的平臺分子加氫轉化到意外的二氧化碳加氫，再到氫氣活化新路徑，使得一次偶然的“實驗偏差”轉化為新的突破。
“答案”在身邊
確定方向后，研究團隊清晰地認識到，實現氫氣異裂的關鍵突破口在于設計能同時提供正、負電荷中心的催化體系。那么，如何才能構建出這兩個至關重要的電荷中心？
“我們此前一直在研究光催化生物質轉化，就想從光催化的原理中找答案。”羅能超說。在光激發半導體時，電子吸收光子能量會脫離原位，留下帶正電的“空穴”，同時產生帶負電的電子和帶正電的空穴。
挑戰隨之而來。光生電子和空穴需要被控制在極為接近的空間內，才能產生足以構成氫氫鍵異裂的不均勻電荷環境。但過于緊密的距離，又容易導致電子與空穴因正負電荷相吸而復合湮滅。
此時，大連化物所光催化領域的兩位研究員章福祥和李仁貴帶來了新思路。在通力合作下，團隊提出新模型：將電子和空穴分別“束縛”在空間鄰近的不同位點上，將它們各自“禁錮”在獨立的“陷阱”中。這樣，即使彼此靠近，電子和空穴若要復合，也必須先獲得額外能量“躍出”各自的“陷阱”，這就有效延長了其壽命，為驅動氫氫鍵異裂創造條件。
“但在研究中，我們只成功定位了電子的‘陷阱’，一直未能找到空穴的‘陷阱’。”金平回憶道。
正當團隊一籌莫展時，羅能超從中國科學院院士、大連化物所研究員李燦于2017年發表的一篇論文中獲得啟發。“論文闡述了利用光激發金的局部等離子激元共振效應，而我們的體系是用光激發二氧化鈦。機制看似相反，但提供了一個關鍵思路：光照條件下，空穴的‘陷阱’是否也可能存在于界面處？”羅能超說。
最終，團隊在二氧化鈦與金納米顆粒的交界面找到了捕獲空穴的“陷阱”，有效阻止了正負電荷的“復合”，確保正負電荷中心的穩定存在。
不能簡單修補，要全面升級
2024年5月，團隊信心滿滿地投稿給《科學》。一個月后，他們收到編輯的回復。“編輯肯定了研究方向的新穎性，但認為新策略缺乏足夠的理論支撐，部分數據也不夠完善。”金平說。
王峰建議，不能簡單地修修補補，要全面升級研究工作，對涉及的所有數據重新驗證。
收到建議后，羅能超與金平立即投入實驗，從頭開始。“比如動力學實驗，最初可能比較粗糙，只有單一光強下的數據。后來我們做得極其細致。在5個不同光強梯度下重復實驗，每個數據點都進行了三四次重復測定。”
團隊用惰性的二氧化碳還原反應，驗證了這種光誘導氫氣異裂的優勢。他們發現，產生的氫物種可以在常溫下把惰性二氧化碳全部轉化，產物只有乙烷，再通過串聯乙烷轉化為乙烯的裝置，最終把二氧化碳還原為乙烯，乙烯收率接近99%，催化劑可以穩定運行超過1500小時不失活。
同時，他們采納了編輯的建議，以自然的太陽光為光源，進一步實現了將二氧化碳還原為乙烷。最終，這項歷經錘煉的研究成果在《科學》發表。
“以氫氣和二氧化碳為原料，制備乙烷、乙烯等高附加值產品，能夠大幅降低傳統加氫過程的能耗，減少二氧化碳排放，助力碳資源優化利用。”王峰說，“未來，我們將深入研究反應工藝，開辟光與光熱耦合的工業化技術路徑，為現代煤化工的升級轉型提供新模式。”
相關論文信息：https://doi.org/10.1126/science.adq3445
以下是該媒體報道地址：https://news.sciencenet.cn/sbhtmlnews/2025/9/386305.shtm?id=386305
