图 （A）推测的空间近邻光生电子-空穴对的产生机制；（B）电子-空穴对驱动氢气异裂和CO₂加氢示意图；（C）Au/TiO₂光催化CO₂加氢制乙烷串联PdZn-ZnO光催化乙烷脱氢制乙烯的反应结果

　　在国家自然科学基金项目（批准号：22025206、22172157）等资助下，中国科学院大连化学物理研究所王峰研究员、罗能超副研究员及意大利里雅斯特大学Paolo Fornasiero教授（以下简称研究团队），在光催化氢气异裂方面取得进展，研究成果以“光化学分解氢气实现二氧化碳近乎定量还原为乙烯（Photochemical H₂ dissociation for nearly quantitative CO₂ reduction to ethylene）”为题，于2025年9月4日发表在《科学》（Science）杂志上。论文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adq3445。

　　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。加氢反应需要将氢气均裂为中性氢原子或异裂为极性氢物种。其中，极性氢物种不仅反应活性高，还可以选择性加氢极性官能团，在选择性加氢和惰性分子活化反应中具有独特优势。然而，氢气异裂通常需要较高的反应温度和压力。其根本原因在于催化剂中异裂氢气的活性中心是数量较少的表面缺陷结构，且正负电荷密度不高。

　　针对这一难题，研究团队提出利用光生电子和空穴形成空间邻近正负电荷中心，构建高浓度、高电荷密度氢气异裂催化位点的思路。以Au/TiO₂为模型催化剂，紫外光激发TiO₂产生的电子迁移到Au纳米颗粒上而被束缚；同时，光生空穴被Au纳米颗粒和TiO₂载体间的Au-O-Ti界面结构捕获（图A）。由此形成了高浓度的空间邻近的束缚态电子-空穴对，并有效抑制电子和空穴的复合，提升催化氢气异裂的效率。

　　团队将上述光催化氢气异裂方式用于CO₂还原，通过形成极性氢物种，促进了C₂产物形成（图B）。在光催化固定床反应器中实现CO₂单程转化率接近100%，乙烷选择性大于99%，稳定运行超1500小时。进一步通过串联乙烷脱氢制乙烯反应，实现CO₂还原制乙烯，单程收率大于99%（图C）。

　　研究团队提出的电子-空穴对协同催化氢气异裂的方式，反应过程中不再产生选择性加氢反应中催化活性与选择性的“跷跷板”效应，有望应用于需要常温常压的加氢反应场景，降低反应能耗的同时提高加氢反应安全性，助力碳资源优化利用和实现碳中和的目标实现。