近日，大连化物所生物能源研究部生物能源化学品研究组（DNL0603组）王峰研究员、罗能超副研究员团队，联合大连化物所章福祥研究员、肖建平研究员、李仁贵研究员、刘伟研究员、陈若天研究员，意大利的里雅斯特大学Paolo Fornasiero教授，复旦大学汪国雄教授等在光催化氢气异裂领域取得重要进展，实现了常温下氢气异裂。
加氢反应是化学工业中的重要反应之一，约25%的化工反应过程至少包含一步加氢反应。加氢反应的核心之一是氢气活化，包括均裂和异裂两种机制。其中，氢气异裂产生极性的氢物种，具有反应活性高和对极性官能团选择性加氢的特点。然而，氢气异裂一般需要较高的反应温度，且由于反应活性位点浓度低导致氢气异裂反应速率低，往往成为加氢反应的决速步骤。
氢气异裂的活性位点包括多种类型，但其本质的结构特点是包含空间邻近（亚纳米尺度）的正负电荷中心。在本工作中，王峰团队基于前期发展的光生电子和空穴单独引发半反应的光催化转化方式（Nature Energy，2019；Nature Catal.，2020；J. Am. Chem. Soc.，2022；Joule，2023；Angew. Chem. Int. Ed.，2023；Nature Synth.，2024；J. Am. Chem. Soc.，2024；Angew. Chem. Int. Ed.，2025），提出将光生电子和空穴用于构建空间邻近正负电荷中心的思路，实现常温条件下氢气异裂。该研究攻克了构建空间邻近的电子和空穴束缚态这一关键科学难题，在利用电子-空穴对催化氢气异裂的同时，有效避免了因空间邻近而发生电子-空穴复合的问题。
科研人员以金/二氧化钛（Au/TiO2）为模型催化剂，利用紫外光激发TiO2，研究结果认为：光激发产生的电子可迁移到Au纳米颗粒上而被束缚；同时，由于Au纳米颗粒和TiO2的界面存在Au-O-Ti组成的缺陷态，光生空穴会在界面处被捕获。研究发现，由于空穴和电子分别在界面Au-O-Ti和Au纳米颗粒上，从而形成了空间邻近的束缚态电子-空穴对。Au/TiO2在常温条件下同时存在氢气异裂的热催化机制，与Au/TiO2上光催化氢气异裂的机制叠加，使科研人员观察到该反应活性随着光强增强先降低后呈线性增加的现象。
进一步，团队将上述光催化氢气异裂方式用于二氧化碳（CO2）还原，在光催化固定床反应器中实现CO2单程转化率接近100%，主产物为乙烷，选择性大于99%，光催化CO2加氢稳定性大于1500小时。团队通过串联乙烷脱氢制乙烯装置，实现CO2加氢制乙烯，单程收率大于99%。该光催化氢气异裂的方式可以拓展至Au/N-TiO2、Au/CeO2和Au/BiVO4等体系，还可以利用太阳光实现CO2加氢制乙烷，选择性达90%。
相关研究成果以“Photochemical H2 dissociation for nearly quantitative CO2 reduction to ethylene”为题，于近日发表在《科学》（Science）上。上述工作得到了国家自然科学基金、大连高层次人才创新支持计划、辽宁省优秀青年基金、辽宁滨海实验室基金、中国科学院青促会、大连化物所创新基金等项目的支持。
