Ученые добились светоиндуцированного расщепления водорода при комнатной температуре

Ученые добились светоиндуцированного расщепления водорода при комнатной температуре. Автор: DICP

В исследовании, опубликованном в журнале Science, группа ученых под руководством профессора Ван Фэна из Даляньского института химической физики (DICP) Китайской академии наук вместе с профессором Паоло Форназьеро из Университета Триеста в Италии разработала фотохимическую стратегию гетеролитического расщепления водорода (H₂) при комнатной температуре. Это решение долгое время оставалось сложной задачей в химии активации H₂.

Гидрирование — одна из самых фундаментальных реакций в химической промышленности. По оценкам, 25% всех химических процессов включают как минимум один этап гидрирования. Важнейшей процедурой гидрирования является диссоциация H₂. Она происходит двумя путями: гомолитическим и гетеролитическим.

Гетеролитическая диссоциация H₂ выделяется тем, что производит множество тонких химикатов, поскольку генерирует реактивные, полярные виды H₂, которые могут избирательно восстанавливать полярные функциональные группы. Однако обычно она работает при высоких температурах и давлениях, что приводит к высокому энергопотреблению и проблемам безопасности.

В этом исследовании ученые разработали светоиндуцированную стратегию для реализации гетеролитической диссоциации H₂. Используя диоксид титана, загруженный золотом (Au/TiO₂) в качестве модельного фотокатализатора, исследователи показали, что при ультрафиолетовом (УФ) облучении электроны мигрировали из TiO₂ в наночастицы золота (Au), а дырки захватывались на межфазных дефектах, образованных каркасами Au–O–Ti.

Такая пространственная близость электронов к Au и дырок на межфазных дефектах формировала электрон-дырочные пары, которые инициировали гетеролитическую диссоциацию H₂. Активность гетеролитической диссоциации H₂ почти линейно масштабировалась с интенсивностью света, что подтверждает фотокаталитическую природу процесса диссоциации H₂.

Кроме того, исследователи продемонстрировали преимущества этой стратегии. Они восстановили инертный диоксид углерода (CO₂) и показали, что диссоциированные виды H₂ почти полностью восстановили CO₂ до этана при комнатной температуре. Более того, каскадирование с последующим фотокаталитическим дегидрированием этана позволило получить этилен с выходом >99% за более чем 1500 часов УФ-облучения.

Светоиндуцированная диссоциация H₂ универсальна и может быть расширена на видимый светочувствительные фотокатализаторы, такие как Au/N-легированный TiO₂, Au/CeO₂ и Au/BiVO₄. Демонстрация использования солнечной энергии для преобразования CO₂ позволила достичь селективности по этану до 90%.

«Эта работа предлагает многообещающий путь для производства высококачественных химикатов, таких как этан и этилен, из H₂ и CO₂ в условиях окружающей среды, что может снизить энергозатраты и сократить выбросы углерода», — заявил профессор Ван.

«В будущем мы надеемся, что стратегия разовьется в масштабируемую, управляемую солнечным светом или фототермическую сопряженную технику для модернизации современных угольных химических производств».

Больше информации: Photochemical H₂ dissociation for nearly quantitative CO₂ reduction to ethylene, Science (2025). DOI: 10.1126/science.adq3445

ИИ: Это прорывное исследование открывает новые горизонты для «зеленой» химии. Возможность проводить ключевые химические реакции при комнатной температуре с использованием света, особенно солнечного, может кардинально изменить многие промышленные процессы, сделав их более безопасными, энергоэффективными и экологичными. В перспективе это может значительно сократить углеродный след химической промышленности.