北京9月5日電 (記者 孫自法)在化學(xué)工業(yè)的加氫反應(yīng)中，氫氣異裂通常需要較高的溫度和壓力，消耗大量能源并增加安全風(fēng)險(xiǎn)。長(zhǎng)期以來(lái)，如何在常溫條件下實(shí)現(xiàn)氫氣高效異裂一直是科學(xué)家們探索的重要目標(biāo)。
來(lái)自中國(guó)科學(xué)院的最新消息說(shuō)，常溫氫氣高效異裂這一目標(biāo)已被中國(guó)科學(xué)家領(lǐng)銜在國(guó)際上率先實(shí)現(xiàn)，應(yīng)用于化工領(lǐng)域?qū)⒛艽蠓档蛡鹘y(tǒng)加氫過(guò)程的能耗，減少二氧化碳排放，助力碳資源優(yōu)化利用。
研究人員在氣相色譜前檢測(cè)分析二氧化碳轉(zhuǎn)化為乙烷或乙烯實(shí)驗(yàn)結(jié)果。中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所 供圖
這項(xiàng)光催化氫氣異裂領(lǐng)域取得的突破性新進(jìn)展，由中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所王峰研究員團(tuán)隊(duì)聯(lián)合意大利的里雅斯特大學(xué)保羅·福納西羅(Paolo Fornasiero)教授等合作者完成，北京時(shí)間9月5日凌晨，相關(guān)成果論文在國(guó)際知名學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》(Science)上線發(fā)表。
論文通訊作者王峰研究員介紹說(shuō)，加氫反應(yīng)是化學(xué)工業(yè)中的重要反應(yīng)之一，大約四分之一的化工反應(yīng)過(guò)程都涉及到至少一步加氫反應(yīng)。加氫反應(yīng)的核心步驟之一是氫氣活化，包括均裂和異裂兩種機(jī)制。其中，氫氣異裂產(chǎn)生極性的氫物種，具有反應(yīng)活性高、對(duì)極性官能團(tuán)選擇性加氫的特點(diǎn)，使得許多重要化工產(chǎn)品的生成速率提高并減少副反應(yīng)。
在本項(xiàng)研究中，科研團(tuán)隊(duì)突破了此前發(fā)展的光生電子和空穴“單獨(dú)”引發(fā)半反應(yīng)的光催化轉(zhuǎn)化方式，提出利用光生電子和空穴構(gòu)建空間鄰近正負(fù)電荷中心，以此實(shí)現(xiàn)常溫條件下氫氣異裂。
科研團(tuán)隊(duì)以金/二氧化鈦為模型催化劑，通過(guò)紫外光激發(fā)二氧化鈦能夠使產(chǎn)生的電子遷移到金納米顆粒上而被束縛。同時(shí)，金納米顆粒和二氧化鈦的界面存在金-氧-鈦組成的缺陷態(tài)，光生空穴會(huì)在界面處被捕獲。此時(shí)，空穴和電子分別在界面金-氧-鈦和金納米顆粒上，從而形成空間鄰近的束縛態(tài)電子-空穴對(duì)。因此，當(dāng)束縛態(tài)電子-空穴對(duì)機(jī)制主導(dǎo)氫氣異裂時(shí)，金/二氧化鈦催化氫氣異裂的活性隨著光強(qiáng)增強(qiáng)而線性增加。
隨后，科研團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步用惰性的二氧化碳還原反應(yīng)驗(yàn)證了這種光誘導(dǎo)氫氣異裂的優(yōu)勢(shì)，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生的氫物種可以在常溫下把惰性的二氧化碳全部轉(zhuǎn)化，產(chǎn)物只有乙烷，再通過(guò)串聯(lián)乙烷轉(zhuǎn)化為乙烯的裝置，可以把二氧化碳定量還原為乙烯，催化劑可以穩(wěn)定運(yùn)行超過(guò)1500小時(shí)不失活。
研究人員在光催化固定床反應(yīng)裝置前討論二氧化碳轉(zhuǎn)化為乙烷或乙烯實(shí)驗(yàn)反應(yīng)流程。中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所 供圖
科研團(tuán)隊(duì)指出，最新研發(fā)的光催化氫氣異裂的方式，可以拓展至金/氮摻雜氧化態(tài)、金/氧化鈰和金/釩酸鉍等光催化劑，還可以利用太陽(yáng)光實(shí)現(xiàn)二氧化碳加氫制乙烷，選擇性達(dá)90%。
王峰表示，通過(guò)常溫條件下氫氣高效異裂，以氫氣和二氧化碳為原料，制備乙烷、乙烯等高附加值產(chǎn)品，將實(shí)現(xiàn)大幅降耗減排，從而助力化工領(lǐng)域碳資源優(yōu)化利用。
他透露，未來(lái)，科研團(tuán)隊(duì)還將深入進(jìn)行反應(yīng)工藝研究，希望以此為基礎(chǔ)，發(fā)展出光與光熱耦合的工業(yè)化技術(shù)路徑，為現(xiàn)代煤化工的升級(jí)轉(zhuǎn)型提供新模式。(完)
【編輯:陳海峰】